Evaluación del comportamiento físico mecánico de una mezcla de concreto asfáltico con incorporación de escorias negras

Abstract

El cuidado del medio ambiente y la necesidad de generar sostenibilidad en la industria, ha hecho necesario implementar la incorporación de residuos dentro de los procesos de la cadena productiva cada vez en un porcentaje mayor; de manera tal que el aporte sostenible en la transformación de los recursos no renovables implica un manejo responsable de los mismos (Rojas-Manzano et al., 2021), por este motivo y por sus propiedades mecánicas, las escorias negras han despertado interés en su uso como agregado, dichas propiedades dependen de su estructura, método de enfriamiento así como de su composición química, determinadas por parámetros del proceso industrial (Pellegrino et al., 2019). En la fabricación de mezclas asfálticas se consumen grandes cantidades de agregados pétreos de origen natural lo que impacta negativamente el ambiente. Estos agregados pueden ser sustituidos parcial o totalmente por otros que son desechados en escombreras y producidos por las compañías siderúrgicas, como las escorias de alto horno (BFS) y acero (SS). Estos dos últimos materiales poseen propiedades químicas y físicas que los hacen aptos para ser utilizados en múltiples aplicaciones como la construcción, mantenimiento y rehabilitación de carreteras. (Rondón et al, 2018) Esta investigación se enfoca en la evaluación de la viabilidad técnica de sustituir parcialmente el agregado grueso en una mezcla asfáltica densa en caliente para pavimentos con agregado siderúrgico, específicamente escoria negra. Esta medida tiene como objetivo principal mitigar los impactos ambientales derivados de la producción de acero y la explotación de agregados naturales en la construcción de carreteras, así como reducir la acumulación de residuos de la industria siderúrgica. Para alcanzar el objetivo, se llevó a cabo un análisis que implicó la sustitución parcial del 25%, 50% y 75% de la fracción granulométrica gruesa en una mezcla densa en caliente del tipo MDC-19. Estos resultados se compararon con los de una mezcla patrón compuesta exclusivamente por agregados naturales. El diseño de las mezclas asfálticas estudiadas se efectuó siguiendo el procedimiento de la metodología Marshall. Se evaluaron aspectos como la estabilidad y el flujo, seguidos de ensayos de comportamiento dinámico, tales como susceptibilidad a la humedad mediante el ensayo de resistencia a la tracción indirecta, el módulo resiliente y la deformación plástica. Las mezclas asfálticas con incorporación de escorias negras han demostrado comportamientos aceptables para carreteras con bajos volúmenes de tráfico, destacando en resistencia a la deformación plástica, estabilidad, módulo resiliente. Sin embargo, es crucial evaluar otros comportamientos mecánicos antes de su uso generalizado. Esto incluye la resistencia a la fatiga, el comportamiento a altas temperaturas y la durabilidad a largo plazo. Solo mediante un análisis exhaustivo se podrá garantizar su viabilidad y seguridad en diversas condiciones.

Environmental protection and the need to generate sustainability within industry have made it essential to increase the incorporation of waste materials into production processes. This has led to a growing percentage of waste inclusion in the production chain. The sustainable contribution to the transformation of non-renewable resources requires their responsible management (Rojas-Manzano et al., 2021). For this reason, and due to their mechanical properties, black slags have garnered interest for use as aggregate. These properties depend on the slag's structure, cooling method, and chemical composition, which are determined by industrial process parameters (Pellegrino et al., 2019). In the manufacture of asphalt mixtures, large quantities of natural stone aggregates are consumed, negatively impacting the environment. These aggregates can be partially or completely replaced by others discarded in landfills and produced by steel companies, such as blast furnace slag (BFS) and steel slag (SS). These latter materials possess chemical and physical properties that make them suitable for use in multiple applications, such as road construction, maintenance, and rehabilitation (Rondón et al., 2018). This research focuses on evaluating the technical feasibility of partially replacing coarse aggregate in a hot dense asphalt mixture for pavements with steel slag, specifically black slag. The primary objective of this approach is to mitigate the environmental impacts caused by steel production and the extraction of natural aggregates in road construction, as well as to reduce the accumulation of steel industry waste. To achieve this, an analysis was conducted involving the partial substitution of 25%, 50%, and 75% of the coarse fraction in a dense hot mix type MDC-19. The results were compared to a control mixture composed exclusively of natural aggregates. The asphalt mix designs were carried out following the Marshall method. Key aspects such as stability and flow were evaluated, followed by dynamic performance tests, including moisture susceptibility through the indirect tensile strength test, resilient modulus, and permanent deformation. Asphalt mixtures incorporating black slag showed acceptable performance for low-traffic roads, excelling in resistance to permanent deformation, stability, and resilient modulus. However, it is crucial to assess other mechanical behaviors before widespread use, including fatigue resistance, high-temperature performance, and long-term durability. Only through comprehensive analysis can the feasibility and safety of its use under various conditions be ensured.