Introduction to Sustainable Construction Module 3. Sustainable Construction Materials Master in European Construction Engineering
Daniel Castro Fresno
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Introduction to Sustainable Construction Module 3. Sustainable Construction Materiales
Table of Contents • Sustainable aggregates and concretes. • Sustainable bituminous mixtures. • Basics of life cycle analysis. • Case studies.
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Sustainable bituminous mixtures
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Introduction Sustainable asphalt is one that allows to get one or more of the following advantages: • Low fuel consumption and reduced emissions. • Use of waste. Methods to get a sustainable asphalt mixture. • Temperature of manufacture and compaction temperature. • Recycling (use of waste from the road). • Using steel and ash aggregates. • Using other waste (eg. ELT, plastic). 4 Master in European Construction Engineering
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Decrease of temperature The main techniques for reducing manufacturing and laying of bituminous mixtures energy are: • Reducing the temperature of manufacture using: • Organic additives. • Chemical additives. • Foamed bitumen. • Emulsions. • Using rolled boulders to reduce internal friction and facilitate compaction.
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Types of bituminous mixtures by manufacturing temperature: • Hot mixtures: manufactured from bitumen at 150-180ºC and placed on site at 120-150ºC. • Warm mixtures: manufactured with foamed bitumen or with additives at 120-140ºC and put on site at 100-120ºC. • Low energy mixtures: manufactured with foamed bitumen at 100ºC and placed on site at 60-80 ° • Half-Warm mixture: manufactured by emulsion at 40-100ºC and placed there at room temperature. • Cold mixtures: manufactured by emulsion at ambient temperature and placed on site at ambient temperature.
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Organic additives reducing viscosity: paraffinic based compounds used in warm mixtures to modify the binder viscosity-temperature curve. Examples: Asphaltan B®, Rheofalt®LT70, Licomont®BS100, Sasobit® Chemical additives activating adhesiveness: facilitate the coating process and enable lowering the temperature of manufacture. Examples: RevixTMWMA, RedisetTMWMX, Iterlow-T, Cecabase®RT945
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Main foaming bitumen techniques: • Double-Barrel®Green: injection of pulverized pressurized binder. • WAM-Foam®: use of soft binder to coat aggregates and introduction of a foamed hard binder. • LTAsphalt®: the binder is sprayed while hot and the filler is introduced moist. • ABE® - Low Energy Asphalt, Lea®: wet sand is added. • Evotherm®: use of additives and emulsifiers. • Ecomac®: heating a cold mixture. • Zeolites: aluminosilicate meshes with water (eg. Aspha-Min® and AdeveraWMA®). 8 Master in European Construction Engineering
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Bitumen emulsions: dispersions of binder in water (in the form of small droplets, since they are immiscible with each other) achieved by the use of emulsifying agents of anionic or cationic character, which can be stored using fluidificators. Using boulders: replacing 10% of the aggregate of a mixture by boulders (2/0 river sand) successfully reducing production and compaction energy within the marked requirements and improving durability.
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Recycling pavements Major pavement recycling techniques are: • On site recycling: • Cold: with emulsion or cement. • Hot: with emulsion. • Recycling being hot in center. Spain allows the use as aggregate in the base and intermediate layers of a maximum of 10% of hot material from the milling asphalt without deformations. Recycling is prohibited in roads with more traffic, being it possible to use it in the rest, considering that recycling in hot provides better quality than recycling in cold. 10 Master in European Construction Engineering
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Cold on-site recycling: • With emulsion: implementing a 6-12cm thick layer of asphalt with aggregates from the milling of existing pavement (consisting of bituminous mixture and granular materials) mixed with emulsion, water and additives (up to 1% of lime or cement) which after compaction should reach 100% density of the Proctor modified. • With cement: implementing a 20-30cm thick layer of "concrete" with aggregates from the milling of existing pavement (consisting of asphalt mix and granular materials) mixed with cement, water and, optionally, additives and contribution aggregate .
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Hot on site recycling with emulsion: • Thermal trimming: heat the pavement surface (decompacted) trimming the surface (mix) and compact (it is not possible to provide materials but rejuvenate bitumen). • Thermal regeneration: heat the pavement surface (decompacted), trimming the surface (mix), remove part of the material, make a new layer and compact the group. • Thermal recycling (remixed on site): heat the pavement surface (decompacted), contribute material (first remove the needed amount), trim the surface (mix) and compact.
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Hot recycling on center: • A hot recycled asphalt mixture is one containing from 10 to 50% of material from the milling, demolition or crushing of layers of aged asphalt mix pavement, with sizes below 25 mm. • A special study is mandatory if the materials are derived from bituminous mixtures with additives or additions (eg. fibers, rubber, etc.). • It is not possible to get high modulus mixes.
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Using steel slag and ash aggregates in roads
• Blast Furnace Slag: • Crystallized slag: absorbs much binder. • Vitrified-granulated slag: used for granular layers (base, gravel-slag, soil cement). • Vitrified-pelleted slag: used for layers granulares (base).
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• LD steel slag (procedure Linz-Donawitz): used in surface treatments, asphalt mixes, granular bases and sub-bases.
• Electric Furnace Slag: • Black slag: result in asphalt mixtures with good rigidity and fatigue resistance, but have problems of adhesiveness aggregate-binder and sensitivity to freeze-thaw cycles. • White slag: as filler of bituminous mixture provide stiffness.
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Ash from coal burning power plants. • Fly ash: suitable as filler in bituminous mixtures (good results). • Bottom ash: suitable as filler in bituminous mixtures in combination with lime (only for pavements with low traffic).
Ashes from the incineration of solid waste. • Fly ash: suitable as filler in bituminous mixtures, improve adhesiveness and have adequate stability. • Bottom ash: stabilized they could be used up to 10% in bituminous mixtures, avoiding the problem of leachates. 16 Master in European Construction Engineering
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Operating other waste ELT tyres: addition of rubber powder to bituminous mixes (particles smaller than 1mm with less than 15% smaller than 0.063mm). • Wet method: obtaining rubber modified bitumen mixing at high temperature the rubber powder with the bitumen (the result is more viscous, more elastic, less thermally susceptible, more resistant to plastic deformations and cracking, more durable but requires stirring and high termperatures for a long time). • Dry method: addition of rubber powder directly into the mixer to get hot bituminous mixtures with rubber.
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Plastic • Wet method: more widespread (primarily bottles and containers) but complex and expensive (bitumen loses properties). • Dry method: good stability results, plastic deformations and binder reduction (1% on mixture) but with great variability due to lack of homogeneity (do not pass technical specifications). Glass: • Helps to obtain bituminous mixtures with good stability and high sensitivity to water but high wear and polish (not recommended for use in surface layers).
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Cellulose fibers: • Possible to retain a greater amount of binder since it prevents runoff, resulting in bituminous mixtures with high endowments, very durable and highly resistant to fatigue without plastic deformation.
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Introducci贸n a la Construcci贸n Sostenible M贸dulo 3. Materiales de Construcci贸n Sostenibles Master in European Construction Engineering
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Tabla de Contenidos • Áridos y hormigones sostenibles. • Mezclas bituminosas sostenibles. • Fundamentos del análisis del ciclo de vida. • Casos prácticos.
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Mezclas bituminosas sostenibles
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Introducción Una mezcla asfáltica sostenible es aquella que permite obtener una o varias de las siguientes ventajas: • Menor consumo de combustibles y reducción de emisiones. • Utilización de residuos. Métodos para obtener una mezcla asfáltica sostenible. • Disminución de temperatura de fabricación y compactación. • Reciclado (uso de los residuos procedentes de la carretera). • Uso de áridos siderúrgicos y cenizas. • Utilización de otros residuos (ej. NFUs, plásticos…). 4 Master in European Construction Engineering
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Disminución de la temperatura Las principales técnicas de reducción de energía de fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas son: • Reducir la temperatura de fabricación usando: • Aditivos orgánicos. • Aditivos químicos. • Espumado de betún. • Emulsiones. • Uso de cantos rodados para reducir el rozamiento interno y facilitar la compactación.
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Tipos de mezclas bituminosas según su temperatura de fabricación: • Mezclas Calientes (Hot Mix): fabricadas con betún a 150-180ºC y puestas en obra a 120-150ºC. • Mezclas Semicalientes (Warm Mix): fabricadas con betún con aditivos o espumado a 120-140ºC y puestas en obra a 100120ºC. • Mezclas de Baja Energía (Low Energy Mix): fabricadas con betún espumado a 100ºC y puestas en obra a 60-80ºC. • Mezclas Templadas (Half-Warm Mix): fabricadas con emulsión a 40-100ºC y puestas en obra a temperatura ambiente. • Mezclas Frías (Cold Mix): fabricadas con emulsión a temperatura ambiente y puestas en obra a temperatura ambiente. 6 Master in European Construction Engineering
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Aditivos orgánicos reductores de la viscosidad: compuestos de base parafínica empleados en mezclas semicalientes para modificar la curva viscosidad-temperatura del ligante. Ejemplos: Asphaltan B®, Rheofalt®LT70, Licomont®BS100, Sasobit® Aditivos químicos activantes de la adhesividad: facilitan el proceso de envuelta y permiten rebajar la temperatura de fabricación. Ejemplos: RevixTMWMA, RedisetTMWMX, Iterlow-T, Cecabase®RT945
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Principales técnicas de espumado del betún: • Double-Barrel®Green: inyección de ligante pulverizado a presión. • WAM-Foam®: empleo de un ligante blando para envolver los áridos e introducción de un ligante duro espumado. • LT-Asphalt®: el ligante se pulveriza en caliente y el fíller se introduce húmedo. • ABE® – Low Energy Asphalt, LEA®: se añade arena húmeda. • Evotherm®: uso de aditivos y emulsionantes. • Ecomac®: calentamiento de una mezcla fría. • Zeolitas: mallas de aluminosilicatos con agua (ej. Aspha-Min® y AdeveraWMA®). 8 Master in European Construction Engineering
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Emulsiones bituminosas: dispersiones de ligante en agua (en forma de pequeñas gotas, dado que no son miscibles entre sí) logradas mediante el uso de agentes emulsionantes de carácter aniónico o catiónico, que pueden llegar a ser almacenadas usando fluidificantes. Uso de cantos rodados: sustitución de un 10% del árido de una mezcla por cantos rodados (arena de río 2/0) logrando reducir la energía de fabricación y compactación dentro de los requisitos marcados y aportando mejoras de durabilidad.
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Reciclado de firmes Las principales técnicas de reciclado de firmes son: • Reciclado in situ: • En frío: con emulsión o con cemento. • En caliente: con emulsión. • Reciclado en central en caliente. En España se permite se permite el uso como árido en capas base e intermedias de un máximo del 10% de material procedente del fresado de mezclas bituminosas en caliente sin deformaciones. El reciclado está prohibido en las carreteras con más tráfico, pudiendo utilizarse en el resto, considerando que el reciclado en caliente ofrece mejores calidades que el reciclado en frío. 10 Master in European Construction Engineering
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Reciclado in situ en frío: • Con emulsión: ejecución de una capa de 6 a 12 cm de espesor de mezcla asfáltica con áridos procedentes del fresado de un firme existente (constituido por mezcla bituminosa y materiales granulares) mezclados con emulsión, agua y aditivos (hasta un 1% de cal o cemento), debiendo alcanzar tras la compactación el 100% de la densidad del Proctor modificado. • Con cemento: ejecución de una capa de 20 a 30 cm de espesor de “hormigón” con áridos procedentes del fresado de un firme existente (constituido por mezcla bituminosa y materiales granulares) mezclados con cemento, agua y, eventualmente, aditivos y árido de aportación.
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Reciclado in situ en caliente con emulsión: • Termorreperfilado: calentar la superficie del pavimento (descompactar), reperfilar la superficie (mezclar) y compactar (no es posible aportar material pero si rejuvenecedor del betún). • Termorregeneración: calentar la superficie del pavimento (descompactar), reperfilar la superficie (mezclar), retirar parte del material, aportar una nueva capa y compactar el conjunto. • Termorreciclado (remezclado in situ): calentar la superficie del pavimento (descompactar), aportar material (retirar previamente la cantidad necesaria), reperfilar la superficie (mezclar) y compactar.
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Reciclado en central en caliente: • Una mezcla bituminosa caliente reciclada es aquella que contiene entre un 10 y un 50% de material procedente del fresado, demolición o trituración de capas de mezcla bituminosa de pavimentos envejecidos, con tamaños inferiores a los 25mm. • Se deberá hacer un estudio especial si los materiales proceden de mezclas bituminosas con aditivos o adiciones (ej. fibras, caucho, etc.). • No es posible obtener mezclas de alto módulo.
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Uso de áridos siderúrgicos y cenizas en carreteras
• Escorias de Alto Horno: • Escoria cristalizada: absorbe mucho ligante. • Escoria vitrificada-granulada: sirve para capas granulares (bases, grava-escoria, suelo-cemento). • Escoria vitrificada-peletizada: sirve para capas ganulares (base).
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• Escorias de acería LD (procedimiento Linz-Donawitz): usadas en tratamientos superficiales, mezclas bituminosas, bases y subbases granulares. • Escorias de Horno eléctrico: • Escoria negra: dan lugar a mezclas bituminosas con buena rigidez y resistencia a la fatiga pero presentan problemas de adhesividad árido-ligante y sensibilidad a ciclos hielodeshielo. • Escoria blanca: como filler de una mezcla bituminosa aportan rigidez. 15 Master in European Construction Engineering
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Cenizas procedentes de la quema de carbón en las centrales termoeléctricas. • Cenizas volantes (fly ash): válidas como filler en mezclas bituminosas (buenos resultados). • Cenizas de fondo (bottom ash): válidas como filler en mezclas bituminosas en combinación con cal (únicamente para pavimentos con poco tráfico). Cenizas procedentes de la incineración de residuos sólidos. • Cenizas volantes: válidas como filler en mezclas bituminosas, mejoran la adhesividad y tienen una estabilidad adecuada. • Cenizas de fondo: estabilizadas podría utilizarse hasta en un 10% en mezclas bituminosas, evitando el problema de los lixiviados. 16 Master in European Construction Engineering
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Utilización de otros residuos Neumáticos fuera de uso (NFUs): Incorporación a mezclas bituminosas de polvo de caucho (partículas menores de 1mm con menos de un 15% inferior a 0,063mm). • Por vía húmeda: obtención de betunes modificados con caucho mezclando a alta temperatura el polvo de caucho con el betún (el resultado es más viscoso, más elástico, menos susceptible térmicamente, más resistente a deformaciones plásticas y agrietamiento, más duradero pero requiere agitación y temperaturas muy altas durante mucho tiempo). • Por vía seca: incorporación del polvo de caucho directamente en la amasadora para obtener mezclas bituminosas en caliente con adición de caucho. 17 Master in European Construction Engineering
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Plásticos: • Por vía húmeda: más extendido (sobre todo con botellas y envases) pero complejo y costoso (el betún pierde propiedades). • Por vía seca: buenos resultados de estabilidad, deformaciones plásticas y reducción del ligante (1% sobre mezcla) pero con gran variabilidad debido a la falta de homogeneidad (no superan las especificaciones técnicas). Vidrio: • Permiten obtener mezclas bituminosas con buena estabilidad y sensibilidad al agua pero alto desgaste y pulimento (no se recomienda utilizarlo en capas superficiales).
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Introducciรณn a la Construcciรณn Sostenible Mรณdulo 3. Materiales de Construcciรณn Sostenibles
Fibras de celulosa: โ ข Permiten retener una mayor cantidad de ligante al evitar escurrimiento, resultando mezclas bituminosas con altas dotaciones, muy duraderas y con elevada resistencia a fatiga sin deformaciones plรกsticas.
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