Polvos minerales alternativos y bioemulsión de resinas vegetales: evaluación de laboratorio sobre su utilización en microaglomerados y reciclados en frío

Abstract

[Resumen] El trabajo desarrollado en la presente tesis se centra en el estudio de polvos minerales de aportación alternativos al cemento, destinados a su empleo en microaglomerados en frío, así como en la evaluación de un bioligante sostenible de origen vegetal como precursor de bioemulsiones, concebidas como alternativa a las emulsiones bituminosas utilizadas en microaglomerados y en el reciclado in situ de firmes asfálticos. Por razones económicas y medioambientales los polvos minerales alternativos fueron seleccionados en función de su abundancia en la corteza terrestre o por ser residuos de productos industriales. El bioligante sostenible propuesto consiste en una mezcla, en proporciones variables, de resinas de origen vegetal, capaz de ofrecer alternativas funcionales a los betunes de penetración asfálticos convencionales. Para validar la idoneidad de los distintos polvos minerales se llevaron a cabo numerosos ensayos comparativos respecto al cemento, utilizado como material de referencia. Dichos ensayos incluyeron determinaciones de densidad, granulometría, composición química, pérdidas por abrasión, consistencia y cohesión. En relación con el bioligante, se realizó un estudio reológico detallado y una comparación con un betún asfáltico de penetración, mediante análisis térmicos (DSC, TGA) y espectroscopía infrarroja (IR). Las bioemulsiones desarrolladas fueron comparadas con emulsiones bituminosas tradicionales, evaluando propiedades como la distribución del tamaño de partícula, así como parámetros estándar de caracterización: pH, viscosidad, tamizado, contenido de residuo y estabilidad frente a la sedimentación. Asimismo, utilizando emulsiones bituminosas como referencia, se efectuaron ensayos mecánicos tanto sobre microaglomerados como sobre mezclas recicladas en frío, analizando parámetros como la sensibilidad al agua, rigidez, susceptibilidad térmica y resistencia a la deformación permanente. Los resultados obtenidos muestran que el uso de polvos minerales alternativos al cemento en microaglomerados en frío puede mejorar el rendimiento de estas mezclas. Además, se ha implementado un bioligante vegetal, que representa una alternativa viable a los betunes de penetración, para la formulación de bioemulsiones aplicables en microaglomerados y reciclados en frío.

[Resumo] Esta investigación doutoral céntrase no estudo de pos minerais alternativos ao cemento, destinados ao seu uso en mesturas de microaglomerado en frío, así como na avaliación dun bioligante sostible de orixe vexetal como precursor de bioemulsións, concibidas como alternativa ás emulsións bituminosas convencionais empregadas en microaglomerado e no reciclado in situ de firmes asfálticos. Por razóns económicas e ambientais, os pos minerais alternativos foron seleccionados pola súa abundancia na codia terrestre ou por seren subprodutos de procesos industriais. O bioligante sostible proposto consiste nunha mestura, en proporcións variables, de resinas de orixe vexetal, capaz de ofrecer alternativas funcionais aos betumes asfálticos de penetración convencionais. Para validar a idoneidade dos distintos pós minerais realizáronse numerosos ensaios comparativos respecto ao cemento, empregado como material de referencia. Estes ensaios incluíron a determinación da densidade, a distribución granulométrica, a composición química, a perda por abrasión, a consistencia e a cohesion. En relación co bioligante, realizouse un estudo reolóxico pormenorizado e a súa comparación cun betume asfáltico de penetración, mediante análises térmicas (DSC, TGA) e espectroscopía de infravermellos (IR). As bioemulsións desenvolvidas foron comparadas con emulsións bituminosas tradicionais, avaliando propiedades como a distribución do tamaño das partículas, así como parámetros estándar de caracterización: pH, viscosidade, residuo de tamizado, contido en ligante e estabilidade fronte á sedimentación. Así mesmo, utilizando as emulsións bituminosas como referencia, realizáronse ensaios mecánicos tanto sobre microaglomerados como sobre mesturas recicladas en frío, analizando parámetros como a sensibilidade á auga, a rixidez, a susceptibilidade térmica e a resistencia á deformación permanente. Os resultados obtidos mostran que o uso de pos minerais alternativos ao cemento en microaglomerado en frío pode mellorar o rendemento destas mesturas. Ademáis, implementouse un bioligante vexetal que representa unha alternativa viable aos betumes de penetración para a formulación de bioemulsións aplicables en microaglomerado e reciclado en frío.

[Abstract] This doctoral thesis focuses on the study of alternative mineral fillers to cement, intended for their use in cold microsurfacing mixtures, as well as on the evaluation of a sustainable plant-based biobinder as a bioemulsions precursor, designed as an alternative to conventional asphalt emulsions used in microsurfacing and in cold in-place recycling asphalt mixtures. For economic and environmental reasons, the selected alternative mineral fillers were chosen either for their abundance in the Earth's crust or because they are by-products of industrial processes. The posed sustainable biobinder is a mixture of natural resins in variable proportions, capable of offering functional alternatives to conventional penetration bitumen. In order to validate the suitability of the various mineral fillers numerous comparative tests were conducted against cement, used as the reference material. These tests included determinations of density, particle size distribution, chemical composition, abrasion loss, consistency, and cohesion. Regarding the biobinder, a detailed rheological study was performed and compared with penetration-grade asphalt bitumen, using thermal analyses (DSC, TGA) and infrared spectroscopy (IR). The developed bioemulsions were compared with traditional asphalt emulsions by evaluating properties such as particle size distribution, as well as standard characterization parameters: pH, viscosity, sieving residue, binder content, and storage stability. Moreover, using asphalt emulsions as a reference, mechanical tests were conducted on both microsurfacing mixtures and cold-recycled mixtures, analyzing parameters such as water sensitivity, stiffness, thermal susceptibility, and resistance to the permanent deformation. The results obtained show that using alternative mineral fillers to cement in cold microsurfacing can enhance the performance of these mixtures. Additionally, a plant-based biobinder was implemented, proving to be a viable alternative to conventional penetration bitumen for the formulation of bioemulsions applicable to microsurfacing and cold in-place recycling.