Reciclaje de micro polipropileno en mezcla asfáltica modificada en caliente

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3639 (2023) Citar este artículo

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Uno de los objetivos de la economía circular es resolver la crisis mundial de contaminación plástica y el reciclaje de materiales garantizando menos residuos. La motivación de este estudio fue demostrar la posibilidad de reciclar dos tipos de residuos con alto riesgo de contaminación, como son el polipropileno a base de plástico y los residuos de arena abrasiva en carreteras asfaltadas. En este estudio se han demostrado los efectos de agregar microplásticos a base de polipropileno y residuos de arena en una mezcla asfáltica para el rendimiento de la capa de desgaste. La morfología y la composición elemental de las muestras de mezcla asfáltica caliente antes y después del ciclo de congelación-descongelación se examinaron mediante SEM-EDX y el rendimiento de la mezcla asfáltica modificada se determinó con pruebas de laboratorio que incluyen estabilidad Marshall, caudal, informe sólido-líquido, aparente. densidad y absorción de agua. También se describe una mezcla asfáltica en caliente adecuada para formar una capa de desgaste en la construcción de carreteras, que contiene agregados, relleno, betún, residuos de arena de chorro abrasivo y microplásticos a base de polipropileno. En la receta de mezclas asfálticas modificadas en caliente se agregaron 3 proporciones de microplásticos a base de polipropileno como son 0,1%, 0,3% y 0,6%. Se muestra una mejora en el rendimiento de la mezcla en la muestra de mezcla asfáltica con 0,3% de polipropileno. Además, los microplásticos a base de polipropileno se adhieren bien a los agregados de la mezcla, por lo que la mezcla asfáltica caliente modificada con polipropileno puede disminuir eficazmente la aparición de grietas durante los cambios repentinos de temperatura.

Las carreteras son la infraestructura de transporte predominante en Europa y un importante contribuyente a la economía1. La mezcla asfáltica preparada en caliente es un material de construcción elaborado mediante un proceso tecnológico que involucra el calentamiento de áridos naturales y betún, mezclado de la mezcla, transporte y puesta en servicio, mediante compactación en caliente2,3. Con la continua aceleración del cambio climático, se observaron varios mecanismos de degradación de las carreteras, incluidos surcos, grietas y erosión en carreteras selladas o no selladas4. Las mezclas asfálticas o bituminosas para carreteras generalmente utilizan como áridos naturales lastre de río prelavado, mezclado con arenas de cuarzo extraídas de graveras o lechos y piedra machacada (extraída de las canteras debido a los procesos de trituración y clasificación de rocas, o arenas de trituración de fracción fina de las canteras5). Uno de los Objetivos de la AGENDA 2030 tiene como objetivo el Desarrollo Sostenible para garantizar patrones de consumo y producción sostenibles, con el fin de apoyar el concepto de desarrollo sostenible en términos de reestructurar la forma en que se utilizan los recursos naturales, de modo que las actividades económicas se equilibren con los sistemas ecológicos, para Para evitar el agotamiento total de este último, en investigaciones anteriores estudiamos el uso de arena residual en la mezcla asfáltica 6. Los astilleros utilizan un material llamado arena con una composición de SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO, MgO, ZnO, MnO, SO4–2 y Cl en Los residuos de arena resultantes del proceso de voladura presentan un gran problema en términos de almacenamiento y de medidas de protección del medio ambiente, ya que las fracciones ligeras forman polvo volador (se encuentran cantidades importantes transportadas a orillas del Danubio)7. En otro estudio, reemplazamos con éxito el 25% de la cantidad de arena de cuarzo natural con arena residual con granulometría similar (0,1–2,0 mm) y la mezcla asfáltica obtenida presenta tanto las características físico-mecánicas como la resistencia al desgaste superiores a la mezcla asfáltica estándar8 . La contaminación plástica es un problema grave de preocupación mundial que necesita una respuesta urgente e internacional que involucre a todos los miembros relevantes en varios niveles. Hay muchos estudios disponibles sobre el uso de plásticos reciclados en aglutinantes y mezclas asfálticas9. Ahmed y cols. evaluó el Polietileno de Baja Densidad (LDPE) y el Polietileno de Alta Densidad (HDPE) para la modificación de asfalto vía el proceso húmedo. Recomendaron la dosis óptima del 2% en peso de LDPE y HDPE en el aglutinante asfáltico (grado de penetración 40/50) para la modificación del asfalto y la mejora de las propiedades de la mezcla fue más marcada para el HDPE que para el LDPE10. Appiah et al. evaluó el uso de Polietileno de Alta Densidad (HDPE) y polipropileno (PP) reciclados para la modificación de asfalto mediante proceso húmedo. La dosis óptima identificada fue 2% HDPE y 3% PP en peso de ligante asfáltico (grado AC-20). Obtuvieron un aumento del punto de reblandecimiento y de la viscosidad del ligante base añadiendo HDPE y PP11. El segundo plástico productivo es el polipropileno, que representa el 21% del mercado total de plástico a nivel mundial12. En comparación con el modificador de polietileno, el polipropileno es más difícil de mezclar homogéneamente con asfalto mediante el proceso húmedo debido a su mayor punto de fusión. La temperatura habitual de mezclado varía entre 160 y 190 °C, mientras que el porcentaje de polipropileno para la producción de asfalto modificado oscila entre el 3% y el 5%13. Ahmedzade et al. han sintetizado aditivos de polipropileno de desecho que tienen un contenido de 80 % de polipropileno de desecho y otros materiales (anhídrido maleico y estireno) como modificador en una cantidad de aglutinante bituminoso de % en peso: 3, 4, 5 y 6 en peso total del aglutinante, y observaron que a mayor contenido de polímero, el comportamiento mecánico de los aglutinantes está controlado tanto por las fases bituminosas como poliméricas, lo que podría inducir un comportamiento de deformación mejorado del betún bajo carga14. Al-Hadidy y Yi-Giu investigaron los beneficios de modificar la mezcla de asfalto y asfalto con matriz de piedra (SMA) en pavimentos flexibles y concluyeron que el pavimento que consiste en un contenido de PP del 5% en peso de asfalto se recomienda para mejorar el rendimiento. El uso de mezclas de hormigón asfáltico y SMA modificado con PP como capa superficial es beneficioso para reducir los materiales de construcción15. La incorporación de polvos de polipropileno molido al asfalto reduciría notablemente la penetración y aumentaría la viscosidad y el punto de reblandecimiento de las mezclas de aglutinantes modificados, que tienen una pronunciada resistencia al ahuellamiento que el asfalto modificado con polietileno16. Jin et al. realizó un estudio sobre el uso de arena estampada y compuesto plástico ASA como pavimento o mezcla de revestimiento de carreteras. Sus resultados mostraron que las mezclas de desechos de arena estampada y acrilonitrilo estireno acrilato tienen mejor susceptibilidad a la humedad y resistencia a la formación de rodaduras que las mezclas asfálticas estándar17. Resolver la crisis mundial de contaminación plástica es uno de los objetivos de la economía circular. El concepto de economía circular presenta el modelo sustentado en la relación producción-consumo que implica la selección, reutilización, revalorización y reciclaje de materiales y uno de los objetivos consiste en asegurar menos desperdicio. Los posibles productos asfálticos que utilizan residuos de plástico y arena para demostrar la disminución de los costes económicos y medioambientales, pero también de las emisiones de CO2 (Potencial de Calentamiento Global - GWP en kg de CO2 equivalente). Además, los costes de producción de la mezcla asfáltica vienen dados por los precios de extracción de la materia prima, pero también por el elevado precio del betún. En particular, en el sudeste de Rumanía, el cambio climático repentino con ciclos de hielo y deshielo causa daños al asfalto, lo que provoca grietas. Para superar los problemas mencionados anteriormente, este estudio propuso el uso de polipropileno reciclado y arena residual en una mezcla asfáltica caliente. Las muestras experimentales de mezcla asfáltica exploran la caracterización morfológica y las características Marshall, como estabilidad, caudal, informe sólido-líquido, densidad aparente y absorción de agua. La novedad de nuestra investigación consiste en la mezcla de ambos residuos, como el polipropileno y la arena del proceso de voladura, en una mezcla asfáltica en caliente utilizada como capa de desgaste en la construcción de carreteras.

La Figura 1 muestra imágenes SEM en la parte superior del Estándar, Muestra 1 y Muestra 2 de mezcla asfáltica en caliente tipo BA8. Como se puede observar la disposición compacta entre los componentes cuando se agrega polipropileno (PP) (Muestra 1 y Muestra 2).

Imágenes SEM de mezcla asfáltica caliente estándar, Muestra 1 (0,1% PP) y Muestra 2 (0,3% PP).

En la muestra estándar se puede notar una mayor porosidad en comparación con la de las muestras con PP. La morfología de la Muestra 1 y la Muestra 2 muestra que las virutas de piedra silícea trituradas, la arena triturada, la arena residual del proceso de voladura y el relleno de piedra caliza seleccionada están bien incrustados en una matriz polimérica.

La matriz de inclusión y los puentes entre los componentes presentan menos poros y tienen una menor rugosidad.

Las imágenes SEM en la parte superior del Estándar, Muestra 1 y Muestra 2 de la mezcla asfáltica caliente tipo BA8 después del ciclo de congelación-descongelación se muestran en la Fig. 2. Se puede notar que en el caso de la Muestra 2 (con mayor% de polipropileno) el La matriz polimérica incrustada no cambia después del ciclo de congelación-descongelación, y podemos decir que presenta una mayor resistencia al daño inducido por el agua ante un cambio climático repentino.

Imágenes SEM de la mezcla asfáltica caliente estándar, Muestra 1 (0,1% PP) y Muestra 2 (0,3% PP) después del ciclo de congelación-descongelación.

La composición elemental que consta de C, O, N, Ca y S se muestra en la Fig. 3. La alta concentración de carbono en la Muestra 2 indica la presencia de polipropileno.

Mapa elemental EDX de la mezcla asfáltica en caliente estándar, Muestra 1 (0,1% PP) y Muestra 2 (0,3% PP).

La estabilidad Marshall mide la carga máxima sostenida por la mezcla a una temperatura de 60 °C y se correlaciona bien con las mediciones de ahuellamiento de la mezcla asfáltica en servicio.

Según STAS 174-197, para la mezcla asfáltica tipo BA8 se recomienda que la estabilidad Marshall sea de al menos 6,0 kN. Todos los resultados de las pruebas de mezcla asfáltica en caliente cumplen con los requisitos de rendimiento en Rumania (Fig. 4). Muestra que la resistencia al ahuellamiento aumenta primero y luego disminuye con el aumento del contenido de polipropileno. A medida que el contenido de polipropileno aumenta al 0,6% (Muestra 3), la variación de la gradación y las propiedades mecánicas del PP reduce la resistencia de la mezcla.

Estabilidad a 60 °C para mezcla asfáltica en caliente estándar, Muestra 1 (0,1% PP), Muestra 2 (0,3% PP) y Muestra 3 (0,6% PP).

La figura indica que a medida que aumenta el contenido de PP, aumenta la estabilidad y a mayor contenido, al 0,6% de PP, la estabilidad Marshall disminuye. Esto se atribuyó a que el peso específico del PP es menor que el del asfalto estándar. Esto sirve para penetrar entre las partículas y mejorar la interconexión de los agregados, lo que aumenta la estabilidad. En el caso de la Muestra 3 (0,6% PP), la estabilidad disminuye y puede estar relacionada con la disminución en el entrelazamiento que ofrecen el aglutinante microplástico PP-asfalto y las partículas de agregado. Como resultado, la mezcla elaborada con 0,3% PP (Muestra 2) presenta el mejor valor de estabilidad lo que conduce a una mayor resistencia a la deformación de la mezcla.

El caudal puede variar de 1,5 a 4,5 mm, según STAS 174-197. En la Fig. 5 se muestra el caudal de muestras de mezcla asfáltica en caliente estándar y modificada. La Figura 5 indica que a medida que aumenta el contenido de PP, aumenta el caudal. Esto estuvo relacionado con la disminución del entrelazamiento que ofrecen los microplásticos a base de polipropileno en las partículas de ligante asfáltico y agregados.

Caudal para mezcla asfáltica caliente estándar, Muestra 1 (0,1% PP), Muestra 2 (0,3% PP) y Muestra 3 (0,6% PP).

Los valores de flujo aumentan con el contenido de PP, lo que indica mayores deformaciones bajo la misma presión. Esto muestra que a medida que aumenta el contenido de microplásticos a base de polipropileno, la resistencia a la deformación disminuye, particularmente cuando el contenido de PP alcanza el 0,6%.

Los valores de flujo de las muestras de mezcla asfáltica son más altos que los de la mezcla asfáltica estándar, lo que indica mayores deformaciones bajo la misma presión. Por tanto, se reduce la resistencia a la deformación de la mezcla asfáltica.

El valor mínimo requerido para el informe sólido-líquido es de 1,3 kN/mm. La Figura 6 muestra el informe sólido-líquido para muestras de mezcla asfáltica en caliente estándar y modificada.

Informe sólido-líquido para mezcla asfáltica en caliente estándar, Muestra 1 (0.1% PP), Muestra 2 (0.3% PP) y Muestra 3 (0.6% PP).

Todas las muestras de mezcla asfáltica cumplen con los requisitos de rendimiento en Rumania. Los valores del informe sólido-líquido disminuyen al aumentar el contenido de microplásticos a base de polipropileno.

En la Fig. 7 se presenta la densidad aparente de las muestras de mezcla asfáltica obtenidas. Para la mezcla asfáltica tipo BA8 el valor de densidad aparente debe ser de al menos 2.330 g/cm3 según SR 174-1/2009. El rendimiento de una capa de desgaste está directamente relacionado con la densidad de la mezcla asfáltica. Como puede verse, la densidad aparente aumenta primero y luego disminuye cuando el contenido de polipropileno llega al 0,6%. Si la densidad aparente de la mezcla asfáltica es demasiado baja, se podrían desarrollar surcos como resultado de los bajos espacios de aire debido a la densificación de la capa de desgaste bajo el tráfico.

Densidad aparente para mezcla asfáltica en caliente estándar, Muestra 1 (0,1% PP), Muestra 2 (0,3% PP) y Muestra 3 (0,6% PP).

Para resumir esta parte, la mezcla asfáltica con 0,3% de microplásticos a base de polipropileno produjo la densidad aparente más alta.

La Figura 8 muestra la absorción de agua para muestras de mezcla asfáltica en caliente estándar y modificada.

Absorción de agua para mezcla asfáltica en caliente estándar, Muestra 1 (0,1% PP), Muestra 2 (0,3% PP) y Muestra 3 (0,6% PP).

Según la norma rumana STAS 174-1/2009, el valor de absorción de agua debe oscilar entre 1,5 y 5,0%. En el caso de una muestra con un pequeño porcentaje de microplásticos a base de polipropileno, la absorción de agua es mayor y disminuye con el aumento del contenido de polipropileno.

El tipo de mezcla asfáltica utilizada en este estudio fue capas de desgaste (laminación) denominada hormigón asfáltico con piedra triturada BA 8, donde 8 representa el tamaño máximo del gránulo3. Las muestras de mezcla asfáltica en caliente tipo BA8 se elaboraron según la norma STAS 11348-8718 obtenida en el laboratorio de pruebas en carretera de la empresa Tancrad. Las proporciones en peso de los componentes de la muestra de mezcla asfáltica estándar consisten en un 33,5% de gravilla de piedra silícea triturada con una granulación que oscila entre 4,0 y 8,0 mm, un 50% de arena triturada con una granulación que oscila entre 0,1 y 4,0 mm, un 10% de relleno de caliza de tipo 6,5 % betún de carretera tipo 50/7018,19. Para la prueba Marshall se prepararon tres recetas reemplazando el 25% de arena triturada con una granulación que oscila entre 0,1 y 4,0 mm con un 25% de arena residual del proceso de granallado con una granulación que oscila entre 0,1 y 2,00 mm y añadiendo un porcentaje en peso de polipropileno (PP). Base de microplásticos con granulación que oscila entre 0,1 y 2 mm. Así, las proporciones en peso de los componentes de las muestras de mezclas asfálticas se componen de un 33,5% de gravilla de piedra silícea triturada con una granulación comprendida entre 4,0 y 8,0 mm, un 25% de arena triturada con una granulación de entre 0,1 y 4,0 mm, un 25% de arena residual procedente de voladuras. proceso con una granulación que oscila entre 0.1 y 2.00 mm, 10% de masilla calcárea selecta y 6.4% de betún vial tipo 50/70 con 0.1% de microplásticos a base de polipropileno para la Muestra 1; 6,2% de betún para carreteras tipo 50/70 con 0,3% de microplásticos a base de polipropileno para la Muestra 2 y 5,9% de betún para carreteras tipo 50/70 con 0,6% de microplásticos a base de polipropileno para la Muestra 3, como se puede observar listado en la Tabla 1. La receta de la muestra 2 fue objeto de la patente en colaboración con el entorno económico20.

Las muestras obtenidas tienen forma cilíndrica con un diámetro de 10 cm y una altura de 6,3 cm.

En este estudio se utilizó la mezcla asfáltica BA 8, la cual es un concreto asfáltico típico con piedra triturada ampliamente utilizado, su gradación se muestra en la Fig. 9. La gradación de la mezcla asfáltica se realizó para la muestra estándar y para la Muestra 2 con 0.3%. Microplásticos a base de polipropileno. El contenido de aglutinante se determinó mediante el método Marshall según la norma rumana SR 174-1/200921.

Graduación de la mezcla asfáltica en caliente estándar y Muestra 2 (0,3% PP) tipo BA 8.

La morfología y la composición elemental de las muestras de mezcla asfáltica caliente antes y después del ciclo de congelación-descongelación se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido junto con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (SEM/EDX) utilizando un microscopio FEI Q 200 en bajo vacío. Antes del examen, las muestras de mezcla asfáltica caliente se recubrieron con una capa conductora de Au de 4 nm de espesor utilizando un sistema de recubrimiento por pulverización catódica SPI-Module™.

Para verificar la calidad de las mezclas asfálticas se determinaron las características físico-mecánicas mediante pruebas en cilindros Marshall. El principio del ensayo consiste en determinar la resistencia a la rotura de una probeta cilíndrica, sometida a una fuerza aplicada a un generador. La prueba se realiza sobre la muestra colocada en el molde a una temperatura de 60 °C.

Las características físico-mecánicas se realizaron según la norma rumana SR 174-1/200921 de la siguiente manera:

La estabilidad (S) es la carga, expresada en kN, alcanzada en el momento en que la probeta cilíndrica se rompe a una temperatura de 60 °C.

El índice de flujo (I), es la deformación que alcanza el diámetro vertical de la probeta al momento de romperse y se expresa en mm.

La densidad aparente (g/cm3) representa la masa de la unidad de volumen de la mezcla asfáltica compactada, que incluye los huecos llenos de aire. Este se determina con base en la fórmula masa/volumen de la muestra, según la relación (1):

donde, para la muestra estándar, tenemos: \({\rho }_{a}\) es la densidad aparente de la mezcla asfáltica, (g/cm3); mu es la masa de la muestra pesada en la balanza analítica en estado seco y que tiene un valor de 1137,4 g; V es el volumen de la muestra cilíndrica con un diámetro de 10 cm y una altura de 6,3 cm es 494,5 cm3.

La absorción de agua (%) es la cantidad de agua absorbida por los huecos accesibles externamente de una muestra de mezcla asfáltica, y se determinó por evaporación después de la inmersión en agua, utilizando el método térmico en modo estático. Inicialmente, después de retirar la muestra del agua, se limpió con un paño húmedo para eliminar el exceso de agua superficial y de gravedad. La muestra húmeda se colocó en un horno, donde se secó a una temperatura de 60 °C y una humedad relativa inferior al 2,5%. La absorción de agua o capacidad de humectación se expresa como un porcentaje de la masa inicial de la muestra y la masa humedecida. La absorción de agua, en porcentaje en volumen, se calcula con la relación:

donde mi es la masa inicial de la muestra; mf es la masa final de la muestra después de haber sido humedecida.

En este estudio, cada resultado de la prueba consistió en el promedio de tres pruebas repetidas.

Una de las soluciones para resolver problemas ambientales urgentes relacionados con la contaminación plástica es promover el reciclaje de residuos plásticos para reducir el impacto climático y ambiental. Se demostró que el uso de materiales de desecho, como polipropileno y arena abrasiva en la mezcla asfáltica caliente, es una opción viable que debe implementarse más a fondo. Los resultados de las pruebas indicaron que la combinación de microplásticos a base de polipropileno y residuos de arena mejoró el rendimiento de la mezcla.

El análisis SEM muestra que en el caso de la mezcla asfáltica caliente con 0,3% PP, la matriz polimérica incrustada no cambia después del ciclo de congelación-descongelación, y podemos decir que presenta una mayor resistencia al daño inducido por el agua ante un cambio climático repentino. La relación entre las propiedades Marshall y el contenido de polipropileno a base de microplásticos se refleja en el hecho de que a medida que aumenta el contenido de PP, aumenta la estabilidad, lo que está relacionado con la penetración del PP entre las partículas y una mayor interconexión de los agregados. Basándose en las características Marshall obtenidas, se seleccionó 0,3% como contenido óptimo para polipropileno.

En conclusión, los microplásticos a base de polipropileno se comportan como un material homogéneo que estabiliza las partículas de arena residual del arenado y reduce la aparición de grietas en la mezcla asfáltica caliente después de los ciclos de congelación-descongelación.

En estudios futuros, pretendemos verter experimentalmente una porción de la carretera con la receta de mezcla asfáltica propuesta y monitorearla bajo condiciones climáticas para respaldar este estudio.

Todos los datos analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

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Descargar referencias

Esta investigación fue apoyada por el proyecto “Excelencia e implicación en el desarrollo inteligente basado en la investigación y la innovación en la Universidad Dunarea de Jos de Galati—DINAMIC”, ID 536/2021. Los autores agradecen al gerente Cristian Catalin Stancic de la empresa Tancrad de Galati por el apoyo en las pruebas de laboratorio Marshall de muestras de mezcla asfáltica.

Facultad de Ingeniería, Centro de Investigación Interdisciplinario en el Campo de Eco-Nano Tecnología y Materiales Avanzados CC-ITI, Universidad “Dunarea de Jos” de Galati, 47 Domneasca, 800008, Galati, Rumania

Daniela Laura Buruiana, Gabriel Bogdan Carp & Viorica Ghisman

Facultad de Ciencias y Medio Ambiente, Centro Europeo de Excelencia para el Medio Ambiente, Universidad de Galati, 800001, Galati, Rumania

Pollo Lucian Georgescu

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Conceptualización: (DLB, GBC y VG); Metodología: (DLB, PLG y VG); Análisis e investigación formal: (PLG y GBC; redacción: preparación del borrador original: (DLB y VG). Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Viorica Ghisman.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Buruiana, DL, Georgescu, PL, Carp, GB et al. Reciclaje de micro polipropileno en mezcla asfáltica modificada en caliente. Informe científico 13, 3639 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30857-9

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Recibido: 04 de octubre de 2022

Aceptado: 02 de marzo de 2023

Publicado: 04 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30857-9

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