PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE LIGANTE BITUMINOSO MODIFICADO CON LODOS
Campo de la invención
La presente invención se encuadra en general dentro del campo de la ingeniería química y civil y en particular se refiere a un ligante bituminoso modificado con lodos procedentes de la depuración de aguas residuales y al procedimiento de obtención del mismo.
Estado de la técnica anterior
La eliminación de los lodos de depuradora (en adelante LD) procedentes de depuradoras de agua residuales urbanas e industriales constituye un problema de primer orden para todos los municipios en general y en especial para las grandes ciudades.
En los últimos años, los problemas de almacenamiento y eliminación de lodos se han agravado al haberse incrementado el volumen de agua depurada, y, en consecuencia, el volumen de lodos a gestionar. La tendencia de gestión de estos residuos es la del reciclado frente a otros destinos, por lo que durante los últimos años se ha potenciado su valorización agrícola como abono o enmienda del suelo. Sin embargo, su uso agrícola no es siempre posible debido a los problemas de contaminación, especialmente por metales pesados. Por otra parte, la incineración y entrega a vertedero son procedimientos finales no sostenibles medioambientalmente debido a la formación de escorias o cenizas, y el aumento de emisiones a la atmósfera.
El betún, subproducto procedente del fraccionamiento del crudo de petróleo, se emplea como ligante para pavimentación. El comportamiento mecánico de los betunes se puede considerar satisfactorio en la mayoría de los casos. Sin embargo, recientemente se exigen mejores cualidades a las vías de tráfico obligadas a soportar el aumento de la carga de los vehículos y la densidad de tráfico. La aplicación continuada, a altas temperaturas, de elevadas cargas sobre pavimentos bituminosos puede producir la acumulación de deformaciones permanentes no recuperables, aumentadas por el tráfico en movimiento lento o estacionario. Por otra parte, a bajas temperaturas de servicio los betunes presentan problemas de fragilidad, pudiendo producirse fracturas en el pavimento. Esta situación hace recomendable la búsqueda de materiales más resistentes.
Para modificar las propiedades del betún se han utilizado tradicionalmente diferentes polímeros, tales como, por ejemplo, polibutadieno, poliisopreno, gomas naturales, copolímeros de estireno-butadieno, etc. El principal efecto de estos compuestos es un aumento de la viscosidad y elasticidad. Sin embargo, el alto precio de estos productos, en relación al del betún, limita su concentración y encarece el precio del producto final. La utilización de polímeros de desecho (gomas recicladas de neumático, plásticos de origen agrícola, etc.), como sustitutos de los agentes modificadores tradicionales, ha sido también considerada, con el fin de contribuir a disminuir el coste de estos materiales y solucionar, en parte, el problema medioambiental de la eliminación de estos residuos.
En este sentido, la incorporación de materiales de desecho, tales como los lodos de depuradora, puede representar una interesante vía de reciclado de los mismos, a la vez que podría obtenerse un ligante asfáltico con un comportamiento mejorado para su uso en pavimentación.
Teniendo en cuenta los procesos utilizados para producir la mezcla bituminosa (Betún + filler + áridos minerales), se pueden clasificar los procesos básicos de incorporación de materiales a los sistemas asfálticos en vía seca y vía húmeda.
La vía seca consiste en la introducción directa del modificante en el dispositivo central de de mezcla bituminosa, como si se tratara de una fracción más de los áridos minerales. En cambio, la vía húmeda consiste en incorporar el modificador al betún directamente, a elevada temperatura, antes de su utilización para fabricar la mezcla bituminosa. De esta forma se obtiene un betún modificado que puede utilizarse, posteriormente, en los procesos convencionales de fabricación de mezclas bituminosas.
No hay constancia en la literatura de procesos estudiados o patentados de incorporación de fangos o lodos por vía húmeda, es decir realizando el procesado previo de betún/fango a alta temperatura para formar un ligante modificado.
Sin embargo, sí se han realizado algunos estudios en vía seca, es decir mezclando directamente el material bituminoso con el fango y los áridos minerales al mismo tiempo. De esta forma, en la Tesis doctoral de Torres Ortega (2002) se describen procedimientos para mezclas de fangos procedentes de depuradoras de aguas residuales urbanas con emulsiones
bituminosas. El objetivo era realizar la encapsulación del fango digerido estabilizado y espesado y su incorporación a una mezcla bituminosa en frío para la construcción de unidades de obra en carretera. Así, se describen las condiciones óptimas de mezcla grava- emulsión-fango para la puesta en obra, donde las proporciones de la emulsión y el fango 5 variaban en los intervalos 6-7% y 5-25%, respectivamente. Finalmente, durante el proceso de mezcla, el fango produce la rotura de la emulsión para producir el recubrimiento del árido.
En la patente US 5344485 se describe un procedimiento de incorporación de diversos materiales residuales como suelos contaminados, membranas asfálticas y/o residuos de demolición, en la formulación de mezclas bituminosas en frío empleando también emulsiones 10 bituminosas.
El estado de la técnica actual muestra que sólo existen tecnologías de incorporación de lodos a mezclas bituminosas para pavimentación por vía seca. Sin embargo, ningún procedimiento describe el uso de lodos de depuradoras de aguas residuales urbanas e industriales para la modificación de las propiedades del betún asfáltico, incorporado o procesado directamente 15 (por vía húmeda) antes de su adición a los áridos minerales para formar la mezcla bituminosa:
En la patente GB434926A se propone una mejora del procesado de asfaltos artificiales con estabilidad ilimitada mediante la incorporación de un lodo de agua de mar en ausencia de aire. El proceso se lleva a cabo calentando la mezcla del betún con el lodo de agua de mar, en proporción másica 1:2, a vacío y a 180°C.
20 La patente JP55164248A utiliza cenizas de incineradoras de papel para reducir el ablandamiento, flujo y evaporación súbita del betún a altas temperaturas de servicio y disminuir la fragilidad a bajas temperaturas de servicio del betún en pavimentos. Además se mejora la adhesión a los áridos. Las mezclas se llevan a cabo con betunes de penetración 10/150, en una proporción en peso de las cenizas del 5 al 40%.
25 La patente DE3136577 se refiere a la preparación de mezclas bituminosas con lodos de aguas residuales o residuos de la incineración de los lodos de dichas aguas. En el proceso de preparación se incorpora el lodo de aguas residuales a la mezcla bituminosa sin gasto significativo de energía.
La invención US4833185 se refiere a un método en el cual se adicionan elastómeros y endurecedores en un lodo, obtenido de la recuperación de aceites lubricantes, que se usa para fabricar mezclas bituminosas. Se obtienen conglomerados bituminosos y mezclas con características mecánicas mejoradas y alta resistencia a altas y bajas temperaturas.
En la patente EP0300284 se describe un proceso para el uso de los lodos obtenidos en el tratamiento de aceites lubricantes usados, para preparar conglomerados bituminosos, así como productos de impermeabilización y sellado.
La invención ES2316326 (A1) se refiere a una mezcla bituminosa cualquiera, que se caracteriza porque el componente árido de la mezcla está constituido, en todo o en parte, por un residuo procedente de la industria de fabricación de piedra artificial, y/o porque el polvo mineral de dicha mezcla procede del material resultante del secado de los lodos que se generan durante el corte de piedras artificiales o naturales. Dicho árido consiste en gránulos que comprenden partículas fundamentalmente de sílice y una resina ligante de dichas partículas.
En resumen, todos los procedimientos hasta ahora descritos se basan en la incorporación del lodo por vía seca simplemente formando parte de la fracción de áridos y filler que constituye la mezcla bituminosa (es decir betún+árido+filler+lodo).
Existe pues la necesidad de eliminar los lodos de depuradoras y al mismo tiempo existe la necesidad de proporcionar ligantes bituminosos mejorados.
La presente invención soluciona los problemas anteriormente planteados, ya que proporciona un método para la obtención de un ligante bituminoso mejorado que incorpora lodo procedente de depuradoras como modificante del betún asfaltico. Para lo cual se requiere un procesado por vía húmeda que promueve la incorporación del lodo en el seno del betún mediante absorción de fracciones ligeras del betún en la fracción polimérica del lodo y/o reacción de ésta fracción con los compontes bituminosos y el oxígeno durante el procesado a alta temperatura. El producto resultante es un ligante modificado apto para ser almacenado a alta temperatura y posteriormente ser adicionado al árido de la mezcla bituminosa para producir asfalto para pavimentación.
La presente invención proporciona, por tanto, un sistema de eliminación del residuo a través de la técnica de solidificación, mediante el empleo de betún asfáltico como aglomerante; por otra parte, conduce a la valorización de dicho residuo gracias a la obtención de material para pavimentación con mejores características.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Así pues en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de ligantes bituminosos modificados con lodos de depuradoras de aguas residuales (de aquí en adelante, procedimiento de la presente invención), por vía húmeda, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
a) deshidratar los lodos procedentes de la depuración de aguas residuales hasta obtener un lodo con un tamaño de partícula comprendido entre 2-5 mm,
b) mezclar entre 5-20 % en peso de lodo obtenido en la etapa anterior con betún.
En una realización particular, la etapa a) del procedimiento de la presente invención, se lleva a cabo mediante secado en estufa, preferentemente durante 12-24 horas.
En una realización particular, la etapa b) del procedimiento de la presente invención, se lleva a cabo a una temperatura comprendida entre 100-200°C, durante 15-180 minutos.
En una realización particular de la presente invención, se utiliza betún asfáltico de penetración 10-200.
En una realización particular, el lodo procede de la depuración de aguas residuales urbanas, de las industrias de mataderos o de la industria de cítricos.
En una realización particular, la mezcla del lodo y el betún de la etapa b) se realiza mediante mezcladores de baja cizalla como por ejemplo mezcladores estáticos, turbina o hélice marina; o mezcladores de alta cizalla como molinos coloidales o "rotor-stator".
En otro aspecto, la presente invención se refiere a un ligante bituminoso modificado con lodo (de aquí en adelante ligante bituminoso de la presente invención), obtenido mediante el procedimiento de la presente invención.
En otro aspecto, la presente invención se refiere al uso del ligante bituminoso de la presente invención para la pavimentación.
Descripción detallada de la invención
5 Ejemplo 1:
Un betún de penetración 60/70 se mezcla con un 10% en peso de lodo de depuradora procedente de la industria de mataderos, deshidratado y con un tamaño de partícula medio de 3 mm. El mezclado se realiza a 180°C en un tanque con agitador de tipo turbina. Los resultados de la Tabla 1, donde se compara este ligante modificado con su correspondiente 10 betún base sometido al mismo procedimiento pero sin la adición de lodo (betún envejecido), muestran una mezcla no estable al almacenamiento a alta temperatura, según norma NLT328. Asimismo, la mezcla betún-lodo matadero presenta un valor de penetración ligeramente más bajo (mayor consistencia) y una menor temperatura de reblandecimiento anillo-bola (menor resistencia a la deformación a elevada temperatura de servicio) que el betún envejecido a 15 180°C.
Tabla 1. Resultados de ensayos tecnológicos normalizados sobre betunes envejecido y modificado con 10% de lodo de matadero, a 180°C:
| Muestra | Penetración EN 1426 (dmm) | TA-b EN 1427 (°C) | Estabilidad NLT328 (% sólidos) |
| | | Zona superior | Zona inferior |
| Betún envejecido | | 50,5 | - | - |
| Betún modificado con 10% lodo matadero (180°C) | | 48,5 | 0,2 | 15,2 |
Ejemplo 2:
20 Un betún de penetración 60/70 se mezcla con un 10% en peso de lodo de depuradora procedente de la industria de los cítricos, deshidratado y con un tamaño de partícula medio de 3 mm. El mezclado se realiza a 150°C en un tanque con agitador de tipo turbina. En la Tabla 2 se compara este ligante modificado con un betún, sin la adición de lodo, envejecido a 180°C. En todos los ejemplos se incluye esta misma referencia comparativa, por presentar el mayor
grado de modificación de propiedades durante el procesado. Los resultados presentan una mezcla estable al almacenamiento a alta temperatura, según norma NLT328. Asimismo, la mezcla betún-lodo cítrico presenta un valor de penetración notablemente más bajo (mayor consistencia) y una mayor temperatura de reblandecimiento anillo-bola (mayor resistencia a la 5 deformación a elevada temperatura de servicio) que el betún envejecido a 180°C.
Tabla 2. Resultados de ensayos tecnológicos normalizados sobre betunes envejecido y modificado con 10% de lodo de cítricos, a 150°C:
| Muestra | Penetración EN 1426 (dmm) | Ta-b EN 1427 (°C) | Estabilidad NLT328 (% sólidos) |
| | | Zona superior | Zona inferior |
| Betún envejecido | | 50,5 | - | - |
| Betún modificado con 10% lodo cítricos (150°C) | | 53,5 | 0,3 | 0,2 |
Ejemplo 3:
10 Un betún de penetración 150/200 se mezcla con un 5% en peso de lodo de depuradora de residuos urbanos, deshidratado y con un tamaño de partícula medio de 3 mm. El mezclado se realiza a 150°C en un tanque con agitador de tipo turbina. Los resultados de la Tabla 3 muestran una mezcla más estable al almacenamiento a alta temperatura, según norma NLT328, que las mezclas de los ejemplos 1 y 2. Asimismo, la mezcla betún-lodo residuos
15 urbanos presenta un valor de penetración notablemente más bajo (mayor consistencia) y una temperatura de reblandecimiento anillo-bola ligeramente superior (mayor resistencia a la deformación a elevada temperatura de servicio) que el betún envejecido a 180°C.
Tabla 3. Resultados de ensayos tecnológicos normalizados sobre betunes envejecido y modificado con 5% de lodo de residuos urbanos, a 150°C:
| Muestra | Penetración EN 1426 (dmm) | Ta-b EN 1427 (°C) | Estabilidad NLT328 (% sólidos) |
| | | Zona superior | Zona inferior |
| Betún envejecido | | | - | - |
| Betún modificado con 5% lodo residuos urbanos (150°C) | | | 0,3 | 0,3 |
Ejemplo 4:
Un betún de penetración 150/200 se mezcla con un 20% en peso de lodo de depuradora procedente de la industria de los cítricos, deshidratado y con un tamaño de partícula medio de 5 3 mm. El mezclado se realiza a 180°C en un tanque con agitador de tipo turbina. Los
resultados de la Tabla 4 muestran que un aumento de concentración hasta el 20% de este lodo produce un efecto negativo muy significativo en las propiedades mecánicas del betún modificado. Así, la mezcla betún-lodo cítrico presenta un valor de penetración notablemente más alto (menor consistencia) y una menor temperatura de reblandecimiento anillo-bola 10 (menor resistencia a la deformación a elevada temperatura de servicio) que el betún envejecido a 180°C. Además, no es estable al almacenamiento a alta temperatura, según norma NLT328.
Tabla 4. Resultados de ensayos tecnológicos normalizados sobre betún envejecido y modificado con 20% de lodo de industrias cítricas, a 180°C:
| Muestra | Penetración EN 1426 (dmm) | TA-b EN 1427 (°C) | Estabilidad NLT328 (% sólidos) |
| | | Zona superior | Zona inferior |
| Betún envejecido | | | - | - |
| Betún modificado con 20% lodo cítricos (180°C) | | | - | - |
