TECNOLOGIA DEL CEMENTO ASFALTICO-HUGO LEON ARENAS.pdf

Rugo León Arenas Lozano

Tecnología del ceiDento asfáltico Segunda edición

Quinta Edición

Tecnología del cemento asfáltico

A mis hijas Claudia Patricia y María Alexandra, por su dedicación al estudio y al deporte A Patricia, por su paciencia A mi madre, por todo lo que me dio y me sigue brindando A los ingenieros de vías, razón fundamental de esta obra

Presentación El asfalto es, sin lugar a dudas, el material más versátil y universal de cuantos se tienen al alcance de la tecnología de los pavimentos flexibles. Su gran número de aplicaciones permite dar solución a gran cantidad de problemas de construcción. A pesar de lo anterior, de este material tan importante no existe una bibliografía en castellano que trate en detalle su comportamiento. Existen obras especializadas de construcción y control de calidad de carreteras que nos indican la manera de aplicarlo y dosificarlo, pero se han olvidado de él en sí, de su naturaleza, cuyo conocimiento es necesario para poder darle una mayor y mejor utilización. El asfalto es de particular interés para el ingeniero porque es un material fuertemente cementante, altamente adhesivo, impermeable y durable. Es una sustancia termoplástica, que imparte flexibilidad controlable a las mezclas de agregados minerales con los cuales se combina. Es además muy resistente a la acción de la mayor parte de los álcalis, ácidos y sales. Puede ser licuado aplicándole calor, disolviéndolo en derivados del petróleo de distinta volatilidad o bien, emulsificándolo en agua. Es mínima la información que se tiene sobre la naturaleza, comportamiento y métodos convencionales empleados por la técnica para la evaluación de los ligantes. Estos métodos muchas veces conducen a resultados de escaso valor calificativo y de importancia dudosa como distintivo de calidad. Los resultados dados en unidades arbitrarias, dificultan en un alto grado la comparación adecuada de los mismos, pues es imposible que un simple ensayo permita predecir el comportamiento de un asfalto durante los procesos de mezclado, compactación y servicio, en

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Hugo León Arenas Lozano

las circunstancias que influyen directamente sobre su vida útil en el pavimento. La durabilidad de una capa de rodadura asfáltica depende, en gran parte, de los materiales que la constituyen. En cuanto al asfalto se refiere, la causa de su deterioro depende de muchos aspectos, entre los cuales se puede mencionar el tratamiento inadecuado al que es sometido con el propósito de utilizarlo en unas condiciones previamente establecidas, debido muy posiblemente a la falta de conocimiento sobre su estructuración y composición. Este deterioro influye en su comportamiento en obra, en su durabilidad (medida por el grado de resistencia a dichos cambios) y en su prematuro envejecimiento (cambios anómalos producidos por influencia externa e interna). Igualmente, resulta dificil elegir la propiedad o propiedades fisicas del cemento asfáltico que deben tenerse en cuenta en las pruebas de durabilidad. Una forma de enfrentar este problema es idear un ensayo o grupo de ensayos que determinen la durabilidad del cemento asfáltico, reproduciendo el estado que alcanza después de algunos años de aplicado en la carretera. El procedimiento lógico para conseguir un ensayo de ese tipo es empezar a construir tramos experimentales con los diferentes tipos de cemento asfáltico, determinando su comportamiento mediante la medida de la variación en su composición química y propiedades reológicas. Hallar correlaciones con las condiciones reales a las que se encuentra sometido como tránsito, clima, etc., para lo cual es necesario tomar muestras periódicas directamente de la carretera. Para lograr lo anterior es necesario conocer los medios técnicos con que se cuenta actualmente, así como las características del asfalto que se está utilizando, su proceso de refinación y su origen, sin dejar a un lado el medio de transporte a la planta y la técnica de aplicación. El autor

Tabla de contenido PRESENTACIÓN ........................................................................................... 13 Capítulo l. GENERALIDADES ................................................................... 15 l. Definición y procedencia del asfalto ............................................................ 17 2. Nomenclatura .............................................................................................. 17 3. Reseña histórica .......................................................................................... 19 4. Propiedades de la materia ......... ·.................................................................. 22 Teoría atómico molecular ................................................................... 2 3 El átomo de carbono ........................................................................... 3 3 Principales componentes químicos del petróleo ............................... 3 3 Referencias bibliográficas .................................................................................. 38

Capítulo 2. LOS CRUDOS DEL PETRÓLEO .......................................... 39 l. Definición ..................................................................................................... 41 2. Procesos de formación ................................................................................ 42 Teorías inorgánicas o de origen mineral .......................................... 4 2 Teorías orgánicas ................................................................................ 4 2 3. Localización geológica y geográfica ............................................................ 44 4. Búsqueda, sondeo y extracción ................................................................... 46 5. Los yacimientos ............................................................................................ 48 Compacidad ......................................................................................... 49 Capilaridad .......................................................................................... 4 9 Flotación .............................................................................................. 4 9 Gravedad .............................................................................................. 5O Corrientes ............................................................................................. 5O Acumulación ......................................................................................... 5O 6. Los pozos petrolíferos .................................................................................. 51 Terminación del pozo .......................................................................... 52 Profundidad de los pozos petrolíferos ............................................... 54 Extracción, transporte y recepción .................................................... 54 7. Clasificación de los crudos .......................................................................... 56 De acuerdo con la densidad .............................................................. 57

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De acuerdo con el contenido de betún .............................................. 57 De acuerdo con su composición química .......................................... 5 7 8. Características de las fuentes de los crudos aptos para producir asfaltos .. 58 9. Proceso de refinación .................................................................................. 62 10. Composición química ................................................................................... 69 Referencias bibliográficas ................................................................................... 70 Capítulo 3. EL PETRÓLEO COLOMBIANO .......................................... 71 l. Reseña histórica .......................................................................................... 73 2. Localización geográfica ............................................................................... 76 3. Materiales asfálticos utilizados en la pavimentación de carreteras ............. 77 Los cementos asfálticos o asfaltos de penetración .......................... 7 9 Los asfaltos líquidos o asfaltos rebajados ........................................ 8 O Las emulsiones asfálticas .................................................................... 80 Los asfaltos naturales ......................................................................... 81 Los crudos del petróleo ...................................................................... 81 Referencias bibliográficas .................................................................................. 82 Capítulo 4. EL ASFALTO .............................................................................. 83 l. Los asfaltos naturales .................................................................................. 85 Manantiales ......................................................................................... 8 5 Lagos .................................................................................................... 86 Exudaciones ......................................................................................... 86 Impregnando rocas .............................................................................. 8 6 Filones .................................................................................................. 86 2. El asfalto derivado del petróleo .................................................................... 87 3. Composición química ................................................................................... 87 Evolución histórica del modelo químico del asfalto ........................ 89 Estructura coloidal .............................................................................. 90 El modelo desarrollado por SHRP ..................................................... 9 7 4. Caracterización química .. .. .. .. .. .. .. .... .. .... .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... . 100 Método de fraccionamiento por precipitación química ................ 100 Método selectivo de adsorpción-desorción ................................... 102 Distribución por tamaño de las moléculas ..................................... 103 Investigación SHRP de la química del cemento asfáltico ............. 1 O5 5. Caracterización de los asfaltos colombianos ............................................. 106 6. Caracterización física ................................................................................ 108 Ensayos para medir la consistencia de los cementos asfálticos .. 1 08 Ensayos de durabilidad .................................................................... 118 Ensayos de pureza............................................................................ 12 O


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Ensayos de seguridad .... .... ... ...... .... .. . ... .. .. .. .... ... .. ... .... .... .. .... .. .. .. ..... i2J Otros ensayos.................................................................................... 12 2 7. Características físicas de los asfaltos colombianos .. .... ...... .... ..... .. ........ ... . 126 Cemento asfáltico de Cartagena..................................................... 12 6 Cemento asfáltico de Barrancabermeja ......................................... i2 6 Cemento asfáltico de la planta de Apiay ........................................ 12 7 8. Propiedades reológicas y comportamiento en servicio .............................. 129 Curvas de flujo de los cementos asfálticos .................................... 131 Influencia de la composición química del cemento asfáltico en su comportamiento reológico .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. . 1 3 5 Influencia de la temperatura en la viscosidad .............................. 13 6 La susceptibilidad térmica del cemento asfáltico.......................... 13 7 El índice de corte .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 151 El módulo de rigidez del cemento asfáltico o stif.fness ................. 152 Influencia de las propiedades reológicas de un cemento asfáltico en el comportamiento de un pavimento ................................................ 161 9. Caracterización de cementos asfálticos según el sistema Superpave (Superior Perfoming Asphalt Pavements ................................ 170 Ensayos para simular el envejecimiento del cemento asfáltico ... 17 O 10. La durabilidad de los asfaltos ..................................................................... 188 Definición de durabilidad de un cemento asfáltico...................... 18 8 Factores que afectan la durabilidad .............................................. 189 Efecto del envejecimiento del cemento asfáltico en las propiedades reológicas .................................................................... 193 Métodos de ensayo para medir la durabilidad del cemento asfáltico ............................................................................................. 200 Correlación entre la composición química y la durabilidad del cemento asfáltico ........................................................................ 2 O1 11. Especificaciones de los cementos asfálticos ............................................. 203 Sistema de clasificación según el grado de penetración ............. 204 Sistema de clasificación según el grado de viscosidad ................ 206 Sistema de clasificación AR ................................... ~ .......................... 211 Especificación Superpave para los cementos asfálticos ............... 211 Especificaciones de los cementos asfálticos producidos en Colombia ........................................................................................... 221 Referencias bibliográficas ................................................................................ 226 Capítulo 5. LOS ASFALTOS LÍQUIDOS O CUT BACKS .................. 229 l. Definición ................................................................................................... 231 2. Clasificación de los asfaltos líquidos .......................................................... 232 El asfalto liquido de curado rápido ............................................... 2 3 2

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El asfalto líquido de curado medio................................................. 2 3 3 El asfalto líquido de curado lento .................................................. 2 3 3 3. Caracterización física de los asfaltos líquidos ............................................ 233 La viscosidad cinemática ................................................................. 2 3 3 El ensayo para determinar el punto de inflamación ..................... 2 3 4 · Ensayo para determinar el contenido de agua ............................. 234 Ensayo de destilación ...................................................................... 2 3 5 4. Proceso de curado de un asfalto líquido .................................................... 237 Definición ........................................................................................... 2 3 7 El tiempo de curado .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... ... .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 2 3 7 Variables que afectan la velocidad de curado .............................. 238 Ensayos para determinar el tiempo de curado .............................. 2 3 8 5. Formación de espuma durante el calentamiento de los asfaltos líquidos ... 244 Espuma debida a una mala fabricación ........................................ 244. Formación de espuma por presencia de agua ............................... 245 6. Especificaciones para asfaltos líquidos ...................................................... 245 Referencias bibliográficas ................................................................................. 249 Capítulo 6. LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS .................................... 251 l. Antecedentes históricos ............................................................................. 253 2. Defmición ................................................................................................... 254 3. Tipos de emulsiones ................................................................................... 255 4. Composición de las emulsiones asfálticas ................................................. 255 El cemento asfáltico ......................................................................... 2 56 El agua .............................................................................................. 256 El emulsificante ................................................................................. 2 56 Los aditivos ....................................................................................... 2 58 5. Fabricación de las emulsiones ................................................................... 258 6. Clasificación de las emulsiones .................................................................. 259 Clasificación según ei tipo de emulgente ....................................... 2 6 O Clasificación según la velocidad de rotura ................................... 2 6 O 7. Propiedades de las emulsiones asfálticas .................................................. 260 La estabilidad al almacenamiento .................................................. 2 61 Estabilidad de la emulsión ante los agregados pétreos ................ 263 La adhesividad .................................................................................. 263 La viscosidad .................................................................................... 263 Características reo lógicas del asfalto residual ..................................... 264 7. Caracterización físico-química de las emulsiones ...................................... 265 Ensayos para evaluar la calidad de la fabricación ..................... 265 Ensayos realizados al cemento asfáltico residual ......................... 2 7O


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8. Rompimiento de una emulsión asfáltica ..................................................... 270 Definición de rotura ......................................................................... 2 71 Causas de la rotura de una emulsión ............................................. 2 71 9. Manejo de las emulsiones asfálticas .......................................................... 272 En cuanto a la dilución de las emulsiones ... .. .. .. ... ... .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. . 2 73 En cuanto a la mezcla con otros productos ................................... 2 73 En cuanto al almacenamiento y transporte ................................... 2 73 En cuanto a la limpieza de los tanques ... .. ... .. .. .. .... .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. . 2 73 10. Especificaciones colombianas para emulsiones asfálticas ......................... 274 11. Aplicaciones de las emulsiones asfálticas ................................................. 274 12. Ventajas de la utilización de emulsiones asfálticas .................................... 274 Referencias bibliográficas ................................................................................ 277

Capítulo 7. LOS ASFALTOS MODIFICADOS ...................................... 279 l. Introducción ............................................................................................... 281 2. Razones técnicas para la utilización de aditivos y modificadores en las mezclas asfálticas ........... :................................................................ 282 3. La mezcla asfáltica ideal ........................................................................... 283 4. Los polímeros ............................................................................................. 285 5. Clasificación de los polímeros .................................................................... 285 Polímeros termoplásticos ................................................................. 285 Los polímeros termoendurecibles .................................................... 286 Los elastómeros o cauchos .............................................................. 286 6. Los aditivos para polímeros ....................................................................... 286 7. Propiedades de los polímeros ..................................................................... 287 El peso específico ............................................................................. 288 Propiedades mecánicas .................................................................... 288 Influencia de la temperatura ........................................................... 2 8 9 Durabilidad ....................................................................................... 289 8. Caracterización de los cementos asfálticos modificados con polímeros .... 290 Evaluación de la compatibilidad .................................................... 290 Estabilidad al almacenamiento ....................................................... 2 90 Comportamiento reológico y susceptibilidad a la temperatura ... 292 Propiedades mecánicas .................................................................... 2 9 2 Medida de las características elásticas ......................................... 2 94 Envejecimiento .................................................................................. 2 96 9. Especificaciones de los cementos asfálticos modificados con polímeros .. 296 Referencias bibliográficas ................................................................................ 299 Indice ............................................ "'································································ 301

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Capítulo 1

GENERALIDADES

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l. Definición y procedencia del asfalto El asfalto es un material de color oscuro, que presenta propiedades ligantes y aglutinantes, confoi:mado por una serie muy compleja de elementos y compuestos en los que sobresalen los hidrocarburos; soluble en gran parte en disulfuro de carbono, presenta consistencia semisólida a las temperaturas ambientes ordinarias pero tiende rápidamente a la liquidez al incrementarse la temperatura. Esta última propiedad ha permitido adecuarlo a muchos usos en la construcción de distintas obras civiles. El asfalto, como se verá mas adelante, es parte integral de muchos petróleos en los que existe en solución. Mediante el proceso de refinación se separan las fracciones volátiles quedando el asfalto como residuo de dicho proceso. En procesos de destilación natural a través de millones de años, se han formado depósitos naturales de asfalto, algunos libres de impurezas y otros en los que se encuentra mezclado con cantidades variables de minerales, agua y otras sustancias. Los depósitos naturales en que el asfalto se presenta dentro de la estructura de una roca porosa se conocen comúnmente con el nombre de asfaltos de roca o roca asfáltica.

2. Nomenclatura Debido a la gran antigüedad del asfalto, existen numerosos términos relativos a dicho producto, los cuales son repetidos en todos

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los idiomas con acepciones levemente diferentes, lo cual ha ocasionado cierta confusión. La palabra asfalto proviene de la palabra asphalte que procede del acadio, lengua hablada en Asiria, entre los años 1600 y 1400 a. C. En esta zona se encuentra en efecto la palabra sphalto que significaba «lo que hace caer»; la palabra fue adoptada después por los griegos, en tiempos de Homero, bajo la forma: cr

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Bitume (betún). Mezcla de hidrocarburos de origen natural, acompañado de sus derivados no metálicos. De consistencia líquida, aceitosa o sólida; sustancia combustible que se encuentra dentro 4e la tierra. Asphalte. Betún sólido preparado a partir de hidrocarburos naturales o derivados de hidrocarburos naturales por destilación, oxidación o cracking. De consistencia sólida, con bajo contenido en productos volátiles, con propiedades aglomerantes y soluble en sulfuro de carbono. Alquitrán (goudron). Material de consistencia viscosa y semifluida, de olor fuerte y penetrante y sabor amargo, resultante de la combustión y la destilación de las diferentes partes de los árboles, especialmente los pinos y los abetos.

3. Reseña histórica El asfalto es uno de los minerales más antiguos que se conocen. Tanto el hombre del neolítico como del paleolítico empleó betunes en la construcción. Se han encontrado esqueletos intactos de animales prehistóricos en depósitos superficiales de asfalto, como el que existe en la Brea cerca de Los Ángeles, California. Recientes excavaciones arqueológicas muestran el extenso uso del asfalto en el valle del Eufrates en Mesopotamia (actualmente Irak) y del Indo, entre los años 3200 a 540 a.C., como un material cementante para la construcción de mamposterías y de caminos, y como impermeabilizante para baños en los templos y otros depósitos de agua. Se dice que Noé lo usó para calafatear su Arca y que también se empleó para sellar la canasta en que Moisés, siendo niño, fue depositado en las aguas del Nilo. Por el año 300 a.C. los egipcios utilizaban ampliamente el asfalto para los tratamientos de preservación y momificación de sus muertos (la palabra mumia significaba betún en Egipto); el betún era utilizado para rellenar el cuerpo después de retirar todas las vísceras. Igualmente, era utilizado para construir embarcaciones de jun-

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cos entretejidos. Los japoneses empleaban «aceite de roca» para la iluminación hace más de dos mil años, y se afirma que los chinos efectuaron perforaciones en busca del petróleo hacia el año 221 a.C. ~eródoto explicaba en 450 a.C. la presencia de filtraciones e11; Persia y Grecia; igualmente Plinio explicaba cómo lo obtenían los romanos para alumbrarse. Los indios de América lo empleaban para impermeabilizar sus canoas, antes de que el hombre blanco llegara al nuevo continente; en México, los Totonacas de la región de Papantía lo recogían de la superficie de las aguas para utilizarlo como medicina e incienso para sus ritos; algunas tribus que habitaron las costas mexicanas lo masticaban para limpiar y blanquear su dentadura.

Figura 1.1. Impermeabilización del arca de Noé

Los usos médicos se mencionan también con mucha frecuencia; desde la época Asiria se utilizaba el betún en fumigaciones, mezclado con el azufre en ungüentos o pomadas para el tratamiento de esguinces y dislocaciones, en la preparación de tisanas para los dolores estomacales y en colirios, mezclándolo con aceites, entre otros usos. Este uso medicinal fue desarrollado fundamentalmente por los árabes. En la Edad Media se utilizó en Europa para el tratamiento de enfermedades de la piel y como desinfectante; en períodos de epidemias se quemaban toneles de alquitrán y betún, en las calles y dentro de los hogares, para que los humos ahuyentaran los humores.


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Las propiedades combustibles de los ligantes hidrocarbonados fueron también aprovechadas con fines bélicos o destructivos. Durante las cruzadas, se utilizaba en las batallas navales el fuego griego (bolas de betún encendidas que se proyectaban con una catapulta). El betún natural de la isla de Trinidad (Figura 1.2), descubierto por Cristóbal Colón, fue utilizado para recarenar las embarcaciones con el fin de poder afrontar d viaje de regreso. Un siglo después,- Sir Walter Raleigh también quedó asombrado ante el espectáculo de este lago de betún y tomó posesión de él para la corona Británica. En el año 1802 de nuestra era, se usó asfalto de roca en Francia para el terminado superficial de pisos, puentes y hermas.

Figura 1.2. Asfalto natural del lago Trinidad

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En 183 8 se utilizó asfalto de roca importado para construir hermas en Filadelfia, Estados Unidos y en 1870 se colocó el primer pavimento asfáltico en dicho país, en la población de Newark, Nueva Jersey, por el químico be~ga E. J. Desmet, que usó roca asfáltica importada del valle del Ródano en Francia. En 1876 se aplicó la primera capa de mezcla asfáltica con arena en la ciudad de Washington D.C., utilizando la roca asfáltica mencionada y también asfalto importado del Lago Trinidad, cerca de Venezuela. Los asfaltos empleados en estos primeros trabajos de pavimentación fueron desde luego asfaltos naturales, es decir asfaltos que se muestran en la naturaleza en forma de yacimientos y que podían explotarse sin dificultad y sin requerir complicadas operaciones industriales para su preparación. El uso del asfalto procedente de la destilación del petróleo se inició en los Estados Unidos en la segunda mitad del siglo XIX, contándose con las primeras refinerías por el año de 1886. El primer pozo petrolero de América se perforó en 1859, cerca de la población de Titusbille, Pensilvania. En 1902 ya se produjeron del orden de 20 mil toneladas de asfalto como producto de la refinación del petróleo. A partir del año 1926, con el desarrollo de la industria automotriz y debido a la necesidad de contar con mejores vías de comunicación para el tránsito vehicular, la utilización del asfalto derivado del petróleo ha tenido un aumento sostenido en todas partes del mundo, sobre todo en los países industrializados.

4. Propiedades de la materia La materia se define como todo aquello que constituye un mundo fisico. Existen dos propiedades de la materia necesarias de conocer: las físicas y las químicas. Las propiedades físicas pueden ser específicas y accidentales. Las primeras distinguen de una manera definida una sustancia de otra. Ejemplo: densidad, dureza, olor, etcétera. Las segundas no


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tienen ninguna relación con la naturaleza de la sustancia, pero nos permiten determinar su cantidad; por ejemplo: peso, dimensión y volumen. Las propiedades qu{micas son independientes del tamaño y de la forma de la materia, al manifestarse indican la composición química de la misma. Toda materia está formada por sustancias puras o mezclas; éstas, a su vez, están constituidas por elementos y compuestos. Los elementos son sustancias puras formadas por átomos del mismo número atómico. Los compuestos son combinaciones químicas homogéneas de elementos y sólo se pueden descomponer por procedimientos químicos, nunca por cambios fisicos. La mezcla es todo sistema material compuesto por varios elementos, por ejemplo, limaduras de hierro y azufre. La combinación es la asociación de dos o más elementos diferentes como resultado de una reacción química, dando lugar a la formación de nuevos compuestos. Las combinaciones, al contrario de lo que ocurre con las mezclas, no se pueden descomponer por medios fisicos, sino que deben separarse por procedimientos químicos.

Teoría atómico molecular Inicialmente existía la creencia de que la materia estaba formada por infinidad de partículas indivisibles, eternas e invariables denominadas átomos. Hoy se sabe que los átomos no son indivisibles, aunque actúen como si lo fueran en todos los procesos químicos, sino que están formados por partículas más pequeñas llamadas partículas fundamentales. Estas partículas se encuentran cargadas eléctricamente, y por efectos del frotamiento u otras causas se desplazan de unos cuerpos a otros. Las partículas tienen una masa muy pequeña y su carga eléctrica es negativa (electrones). Como la materia se considera eléctricamente neutra, es de suponer que, además de las cargas negativas, existirán otras cargas positivas (protones) de igual número y magnitud.

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Se plantea entonces el problema de determinar cómo se hallan distribuidas estas partículas en el átomo y cuántas hay en cada uno. Existe en el átomo una zona central, denominada núcleo, formada por·cargas positivas. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares, pero sin emitir energía. Cuanto mayor es la órbita, mayor es la energía que posee el electrón. El paso de un electrón de una órbita a otra inferior se realiza mediant~ un desprendimiento de energía. Partículas del átomo El electrón tiene una carga negativa de 1,602 x 10·19 culombios y su masa es de 9,1 x 10"28 g y su símbolo es e-. El núcleo está compuesto por protones y neutrones fundamentalmente. El protón tiene una carga positiva de 1,602 x 10- 19 culombios y una masa 1.837 veces mayor que la del electrón; o sea, una masa de 1,67 x 10·24 g. El neutrón tiene una masa algo mayor que el protón pero no posee carga eléctrica. El positrón, tiene la misma masa y carga que el electrón, pero ésta es positiva (e+); el mesón, puede poseer carga positiva, negativa o nula y una masa de 200 a 500 veces la del electrón y tiene la misión de mantener unidos a protones y neutrones. Existen varios centenares de partículas subatómicas, sin saber a ciencia cierta cuántas quedan por descubrir. Número atómico y número masa Todo núcleo atómico se caracteriza por dos números, el atómico y el de masa (o peso atómico). El número atómico representa el número de protones del núcleo, el cual es igual al número de electrones cuando existe el equilibrio de carga. El número de masa es la suma de protones y neutrones del núcleo. Los elementos químicos Se conocen actualmente más de u:h cehtenar de elementos químicos, pero sólo noventa existen en la naturaleza, el resto han sido preparados a nivel de laboratorio.

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Valencia

La capacidad que tienen los átomos de combinarse para formar los compuestos se llama valencia. La valencia de un átomo determina el número de enlaces que este átomo puede formar con otros elementos. En la Tabla 1.1 se presentan las valencias más corrientes de algunos de los elementos más comunes. Tabla 1.1. Valencias más corriientes de los elementos químicos ELEMENTO

ESTADOS DE OXlOACION

ElEMENTO

ESTADOS DE OXIOACION

Aluminio

-t3

Hierro

+2,+3

Arséflíco

+3,+5,-3

Llio

+1

Azufre

+2.+4.+6.·2

Magnesio

+2

Bario

-t2

Mercurio

+1,+2

Calcio

+2

Nique!

+2,+3

Caroono

+2,+4,-4

Nitrógeno

+1 .+2:t3.+4,+5,-1,-2

Cloro

+1 ;+3,+5,+7,-1

Oxigeno

·2

Cobalto

+2,+3

Plomo

+2,+4

CObre

+1,+2

Síticio

+2,+4,-4

Flúor

·1

Sodio

+1

Hidrógeno

+1,·1

Vanadio

+2.-•3,+4,+5

Electro valencia

Es difícil que los gases nobles, o inertes, reaccionen con otros elementos, debido a la gran inercia que presentan. La razón de esta inercia se ha atribuido a la configuración electrónica de la última capa (posee 8 electrones), salvo en el caso del helio que posee 2. Se acepta que por esta razón los gases son más estables. Los metales, por lo general, tienen la tendencia a perder electrones para transformarse en iones positivos (cationes), mientras que los no metales tienden a captarlos para transformarse en iones negativos (aniones). El fenómeno por el cual un átomo no metáli-

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co se une con otro metálico, captando el primero el electrón cedido por el segundo se denomina electrovalencia. Covalencia

Muchas veces en una órbita de un átomo en el que debiera haber dos electrones solo hay uno, el cual es compartido por otro átomo que se halla en similares condiciones. El proceso mediante el cual se forma un elemento estable o un compuesto compartiendo electrones se denomina covalencia. Número de valencia

Es el número de electrones que comparten varios elementos para. formar un compuesto. Dos elementos pueden unirse para formar más de un compuesto; lo cual implica que pueden compartir distinto número de electrones y que actúan por tanto, con valencia variable. Según el número de valencia, los elementos pueden ser monovalentes, diva/entes, etc., hasta heptavalentes como máximo. La tabla periódica

En el siglo XIX el número de elementos conocidos fue haciéndose cada vez mayor, al igual que fueron determinándose más exactamente las propiedades de los elementos. Los científicos se vieron en la necesidad de agruparlos sistemáticamente buscando propiedades comunes. Inicialmente se clasificaron los elementos en dos grandes grupos: metales y no metales; en muchos casos se presentaban elementos con características intermedias. En el año 1829, Dobereiner clasificó los elementos en triadas, cada una formada por tres elementos de similares propiedades. Una de ellas era la integrada por el cloro, bromo y yodo. En el año 1864, J. Newlands propuso la teoría conocida por la «ley de las octavas de Newlands». Consistía en disponer todos los elementos en orden creciente de sus masas atómicas, de manera que después de cada siete elementos apareciera


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un octavo con propiedades similares al primero. En 1869 el ruso Mendeleiev y el alemán L. Mayer establecieron, independientemente, otra clasificación de los elementos químicos basándose en que las propiedades físicas y químicas de los mismos estaban en función de su masa atómica. La tabla de Mendeleiev ha sufrido bastantes variaciones pero fundamentalmente pennanece como él la elaboró (ver la Tabla 1.2). El sistema periódico está constituido siguiendo un criterio: los elementos están ordenados por filas, en orden creciente de su número atómico, pero de tal manera que los elementos de propiedades similares se corresponden en columnas. Las columnas, encabezadas en la tabla por números romanos, se llaman grupos· y contienen así, los elementos de propiedades y estructura electrónica análoga. Hay siete grupos o columnas. En cada período o fila horizontal figuran los elementos que poseen determinado numero cuántico o nivel de energía. Los elementos situados a la izquierda y en el centro de la tabla, que son los más numerosos, son los metales. Los elementos que se Tabla 1.2. Tabla periódica de los elementos

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encuentran en la parte derecha de la tabla, exceptuando los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, y Rn) son los no metales. a. Los metales. Se caracterizan por su mayor o menor facilidad en ceder ~lectrones (se les denomina también como elementos electropositivos) y tienden a adquirir la configuración electrónica del gas noble inmediatamente anterior a ellos. Entre los metales, los que corresponden a la columna I, son el grupo más activo de los metales, ya que tienen un solo electrón en la última capa y lo pueden ceder muy fácilmente. Horizontalmente, el metal que presenta mayor actividad dentro de un mismo período es el que tiene menor número de electrones libres en la última órbita (menor valencia). b. Los no metales. Se caracterizan por tender a captar electrones, es decir, son electronegativos. Tienen tendencia a completar su órbita exterior hasta que adquiere la configuración electrónica del gas noble situado en el mismo período (misma línea). Entre los grupos principales de no metales, se tienen: • Los carbonoides, cuya valencia máxima es 4. Los principales elementos son: el carbono y el silicio (columna IV). • Los nitrogenados, cuya valencia máxima es 5 (columna V). • Los anfigenos (columna VI), cuya valencia máxima es 6. Excepto el oxígeno de valencia -2. • Los halógenos (columna VII). La valencia máxima positiva es 7 y la negativa siempre es -l. Son los más activos. c. Los gases nobles o inertes. Poseen en la última órbita electrónica ocho electrones, su reactividad química es prácticamente nula. Una excepción en su estructura es la del helio (He), quien tiene dos electrones en su único nivel de energía. d. Los elementos de transición. Tienen incompleta alguna de las órbitas interiores, con propiedades y valencias variables. Se hallan situados entre los grupos II y III. e. Tierras raras. Los elementos que están colocados en la parte inferior de la tabla periódica reciben el nombre de elementos de


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transición o tierras raras. Se dividen en los lantánidos y actínidos, constituidos, cada uno de ellos por catorce elementos. IQnización

El ión se define como un átomo o grupo de átomos dotados de carga eléctrica; se llama catión al ión de carga positiva y anión al de carga negativa. Los elementos que ceden electrones son electropositivos; es decir, que los átomos que ceden electrones se convierten en un ion positivo o catión (se oxida). El sodio y el calcio se ionizan positivamente al perder sus electrones. Los elementos que captan electrones son electronegativos, por lo que su átomo se convierte en ion negativo o anión; el cloro tiende a ganar un electrón (sé reduce). Los enlaces químicos Según se trate de elementos electropositivos o electronegativos se tienen los siguientes enlaces: • enlace iónico

= elemento electropositivo + elemento electronegativo

• enlace covalente • enlace metálico

elemento electronegativo + elemento electronegativo

= elemento electropo si ti vo + elemento electropositivo

Por lo general, cuando los átomos se unen para formar moléculas tienden a generar una estructura más estable que cuando están libres. La combinación de unos átomos con otros se produce sólo por la intervención de los electrones que se hallan en la última órbita, o sea, por los electrones de valencia. Los únicos átomos que no se unen para formar combinación son los gases nobles por tener saturada su última órbita.

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Enlace iónico

El enlace iónico es la unión de dos iones de signos contrarios. En la formación del cloruro de sodio (NaCl), constituido por la unión de un átomo de cloro Cly un átomo de sodio Na+, este último posee un electrón en su última capa y al encontrarse frente al cloro, cede dicho electrón, el cual es capturado por el átomo de cloro, al que le faltaba un electrón para alcanzar el octete en la última capa. El sodio al ceder el electrón se convierte en ion positivo, mientras que el cloro se convierte en un ion negativo; por tal razón, los dos átomos ionizados con cargas opuestas se atraen. Ambos, al reaccionar, se han estabilizado mutuamente, formando el cloruro de sodio (Figura 1.3). Na·· e·= Na+ Cl +e·= Cl·

Cf • NI "

{'1

=

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o Figura 1.3. Enlace lónico

El enlace iónico se forma cuando los átomos de un elemento ganan electrones a expensas de los átomos de otro. Algunas propiedades importantes de los compuestos iónicos son: • Son sólidos cristalinos a temperatura ambiente. • Son compuestos solubles en agua y no en los disolventes orgánicos. • En disolución y fundidos son conductores de la corriente eléctrica. • Poseen un elevado punto de fusión y vaporización.

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Enlace covalente

En este enlace existe una asociación de los electrones de los átomos para completar la última órbita y así adquirir la estructura de gas·noble. El enlace más simple es el de los dos átomos de hidrógeno que se unen para formar la molécula de hidrógeno H 2 ; al aproximarse, estos dos átomos comparten sus dos electrones seguido de un desprendimiento de energía y superposición de órbitas (Figura 1.4). Algunos átomos comparten dos o tres electrones, en estos casos se denominan enlace covalente doble o triple, respectivamente.

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Figura 1.4. Unión covalente de dos átomos

La representación de un enlace covalente se realiza mediante los símbolos de los átomos rodeados por los electrones de valencia, simbolizados por puntos o rayas; estas fórmulas electrónicas son las denominadas estructuras de Lewis. Enlace simple

Enlace doble

Enlace triple

:Cl Cl:

:0::0:

N::N

:Cl • Cl:

0=0:

N::N

Los compuestos covalentes generalmente son gases, líquidos o sólidos blandos cuyos puntos de fusión y ebullición son bajos. Esto se debe a que la intensidad de la fuerza entre las moléculas es débil. Son a menudo insolubles en agua, pero sí solubles en disolventes orgánicos. Los átomos están dirigidos en posiciones adecuadas.

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En la Tabla 1.3 se muestran las principales diferencias entre los compuestos con enlace iónico y los compuestos con enlace covalente. Enlace covalente coordinado o dativo

Se presenta cuando el par de electrones compartidos proceden del mismo átomo o ion. Al átomo que aporta el par de átomos se le llama dador y al otro átomo, se le llama receptor. Tabla 1.3. Diferencias entre los compuestos iónicos y los compuestos covalentes

Compuestos iónicos

Compuestos covalentes

Ceden o adquieren electrones

Comparten electrones

Puntos de fusión y

Puntos·de fusí6n y ebuUición altos ebullición bajos

Enlaces no dirigidos

Enleces dirigidos

Conductores

No conductores

Solubles en agua

Insolubles en agua

Insolubles en disolventes

Solubles en disolventes orgánicos or gánicos

Enlace metálico

En este enlace los átomos electropositivos se unen para formar un sólido. Los átomos metálicos tienden a perder electrones para adquirir la configuración de un gas noble. Polaridad molecular

La desigual manera de compartir electrones lleva a la polarización del enlace covalente. Si los átomos que comparten el par de electrones son desiguales, la distribución de carga no se reparte de manera igual entre los dos átomos y se origina una polaridad molecular. Cuando los pares de electrones compartidos se encuentran a la misma distancia de los dos átomos y son atraídos con igual fuerza


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por los dos núcleos, son características de moléculas covalentes apolares; el cloro presenta apolaridad molecular, ya que sus cargas se reparten por igual entre los dos átomos de cloro.

El átomo de carbono Conforma junto con los átomos de silicio, germanio, estaño y plomo los denominados elementos carbonoides. El carbono y el silicio son no metales, el germanio es un semimetal y los dos últimos tienen características puramente metálicas. Presentan cuatro electrones en su órbita exterior o última capa orbital. El carbono es el segundo elemento más abundante en los seres vivos constituyendo una pieza vital de la estructura de la materia viviente. El carbono se encuentra libre en la naturaleza formando dos estados alotrópicos: estado cristalino, red tridimensional (el diamante); estado no cristalino, red hexagonal: el grafito. Con impurezas forma los carbones minerales: antracita, hulla, lignito y turba. Es posible hallarlo en los derivados geológicos de los residuos animales y vegetales de épocas antiguas (petróleo y carbones), combinado sobre todo con el hidrógeno, con el que forma los hidrocarburos. Con el oxígeno forma el dióxido de carbono, que se encuentra en la atmósfera, y los carbonos que se hallan en las rocas, principalmente la caliza (CaC0 3 ). Los compuestos de carbono, a temperaturas ordinarias, son buenos conductores de la electricidad y del calor, igualmente son muy estables químicamente; a temperaturas elevadas, las uniones covalentes se destruyen fácilmente; se combina con el hidrógeno dando lugar a los hidrocarburos.

Principales componentes químicos del petróleo Los componentes químicos del petróleo pueden clasificarse de la siguiente manera:

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Los hidrocarburos

Son los compuestos más importantes del petróleo. Estos cuerpos se componen de átomos de carbono unidos entre sí por covalencia con enlaces sencillos, dobles o triples, y cuyas valencias libres se saturan por átomos de hidrógeno. Existen dos grandes grupos de hidrocarburos: a. Los hidrocarburos de cadena abierta o acíclicos, los que a su vez pueden ser saturados y no saturados; son saturados si todos los enlaces entre los átomos de carbono son simples. La fórmula es del tipo

H

H

H

H

····e··

e

e

H

H

H

H

··········e·

H

H

que se suele escribir más simplemente:

Los hidrocarburos saturados se denominan parafinas o alcanos. Las parafinas se caracterizan químicamente por su gran estabilidad. Los hidrocarburos acíclicos y no saturados o insaturados son aquellos que presentan uno o más enlaces dobles o triples. Los hidrocarburos acíclicos no saturados pueden tener sólo un doble enlace y entonces se llaman alquenos u olejinas: CH3- CH

=

CH2 (Propeno)

Tienen una gran tendencia a combinarse químicamente con multitud de sustancias y a polimerizarse, es decir, a reunir varias de sus moléculas, dando lugar a un cuerpo más pesado. Finalmente, existen hidrocarburos acíclicos que presentan un triple enlace entre dos átomos de carbono, llamados hidrocarburos acetilenos.


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b. Hidrocarburos de cadena cerrada o cíclicos; son aquellos en que la cadena de átomos de carbono llega a cerrarse, formando anillos.

Les hidrocarburos cíclicos saturados se denominan cicloparajinas o naftenos. Las propiedades de los na:ftenos son muy similares a la de las parafinas. Las principales diferencias son: una mayor densidad y un punto de ebullición más elevado que las parafinas correspondientes. Hl DROCARBUROS

Figura 1.5. Hidrocarburos constituyentes de los crudos

En los hidrocarburos cíclicos no saturados, uno o más de los enlaces entre átomos de carbono son dobles. Son importantes los hidrocarburos aromáticos, de los cuales el más típico es el benceno: CH

HC

CH

HC

CH

CH La Figura 1.5 muestra un resumen de los distintos tipos en que pueden dividirse los hidrocarburos.

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Los compuestos oxigenados Pueden existir en el petróleo o pueden presentarse por oxidación de diversos productos del petróleo en almacenamiento o en servicio.

Los compuestos de azufre Estos compuestos son precisamente los indeseables de los productos derivados, pues además de tener un olor desagradable, provocan corrosión. Gran parte del azufre no está combinado en forma de compuestos de azufre sencillos, sino en componentes resinosos y asfálticos.

Los compuestos nitrogenados Existen en cantidades insignificantes, del orden de 0,05% a 0,5%. Los compuestos nitrogenados separados de destilados del petróleo son derivados alquílicos de la quinolina y en menor cantidad de la piridina.

, Los compuestos asfálticos y resinosos Estos compuestos contienen oxígeno, azufre y a veces nitrógeno. Poseen carácter plástico que hace muy difícil su identificación. Algunos de estos componentes son: los asfaltenos sólidos y las resinas neutras. Los asfaltenos, son insolubles en éter del petróleo y otros hidrocarburos livianos. Se cree que existe en el petróleo en forma de soluciones coloidales peptizadas por hidrocarburos aromáticos y otros compuestos. Los asfaltenos son solubles en benceno. Las resinas son semisólidos y miscibles con todas las fracciones del petróleo. El contenido de resinas neutras y asfaltenos en el petróleo aumenta gradualmente, desde cero en la gasolina hasta porcentajes mayores en los residuos, dependiendo del contenido de dichos componentes en el petróleo original. Los componentes resinosos y asfálticos contienen oxígeno, azufre, nitrógeno, plomo, vanadio, aluminio, magnesio, hierro, níquel, potasio, calcio, entre otros.


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Componentes organometálicos El contenido de compuestos organometálicos en los petróleos crudos es muy pequeño. Entendiéndose por compuesto organometálico el enlace de un metal (en estado de valencia bajo) con una molécula orgánica formando moléculas complejas. El campo de la Química Organometálica es relativamente nuevo, el estudio sistemático de esta área se inició alrededor del año 1950, aunque hace más de un siglo se conocen compuestos que se podrían clasificar como organometálicos, y que son de mucha importancia en la actualidad debido a sus aplicaciones. El vanadio, el hierro y el níquel son los metales más importantes presentes en el petróleo crudo. La presencia de hierro se debe en gran parte al arrastre del hierro de los tubos, los depósitos y otras piezas del equipo de perforación en los yacimientos petrolíferos y en las refinerías. Por consiguiente, la presencia de vanadio y níquel en el petróleo es mucho más importante que la del hierro. Además de la presencia de vanadio, hierro y níquel, se ha detectado en los crudos, cobre, cinc, plomo y otros elementos metálicos en cantidades menores.

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Referencias bibliográficas ARENAS, Rugo; MARTINEZ, René. Composición química del asfalto colombiano producido en refinería y su correlación con la durabilidad. Popayán: Unicauca, 1989 CONLY, R. T. Espoctroscopía infrarroja. México: Alhambra, 1979 ECOPETROL. Conociendo nuestro petróleo. Santafé de Bogotá: Ecopetrol, 1989 Enciclopedia Británica. Chicago. Volumen 17 de 1962 PURCELL, K. F. Química inorgánica. México: Reverté, 1979 THURSTON, R. R. y KNOWLES, C. Asphalt and its constituents. En: Contribution ofpetroleum Chemistry, Vol. 33 No. 3 VELÁSQUEZ, M. Asfaltos. Madrid: Dossat, 1961

Capítulo2 LOS CRUDOS DEL PETRÓLEO

j

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El petróleo es el combustible preferido del siglo XX, y se ha convertido en una necesidad de la civilización moderna. El valor de sus productos supera al de cualquier otro mineral empleado por el hombre, y dependen de él la industria, los transportes y la guerra de los tiempos modernos. Siendo un fluido, el petróleo se extrae rápidamente y a bajo costo de la tierra. Su movilidad permite que tanto él como sus productos sean transportados y manejados sin grandes costos. La gran demanda del petróleo ha podido ser atendida gracias a la contribución de la geología a su búsqueda y extracción.

l. Definición La palabra petróleo proviene de las palabras latinas petra: roca y oleum: aceite, que significa "aceite de roca". El petróleo obtenido de los pozos es un líquido más o menos espeso, de densidad inferior a la del agua, muy viscoso y formado por una mezcla de diversos hidrocarburos líquidos. Se extrae de yacimientos naturales que se explotan en muchas partes del mundo. Mediante la destilación fraccionada del petróleo se obtiene: gasolina, bencina, parafina, asfalto y muchos otros productos derivados que tienen importantes aplicaciones industriales.

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2. Procesos de formación Fijar l.a fecha de cuándo debieron suceder algunos fenómenos físicos resulta siempre un tema de discusión, sobre todo cuando se habla del origen del petróleo, el cual es una sustancia que ha tenido su formación a lo largo de millones de años. El petróleo, por ser un líquido de baja viscosidad, tiende a desplazarse, por lo que resulta difícil determinar las circunstancias que dieron origen a su nacimiento. Existen numerosas teorías que buscan explicar el proceso de formación del petróleo, sin tener hasta el momento, alguna de ellas una completa demostración. Las teorías se pueden agrupar en dos categorías: teorías inorgánicas o de origen mineral y teorías orgánicas.

Teorías inorgánicas o de origen mineral Suponen la existencia debajo de la superficie de la Tierra de carburos metálicos que se descomponen en contacto con el agua, produciendo hidrocarburos que se condensan en los estratos superiores más fríos, dando como resultado el petróleo. Otras teorías atribuyen la formación del petróleo a la reacción de metales alcalinos existentes en estado libre en el interior de la Tierra con el bióxido de carbono a alta temperatura, a través de una serie de reacciones y en contacto con el agua.

Teorías orgánicas Son las más numerosas y tienen una mayor aceptación; afirman que el petróleo inició su formación hace millones de años por la acumulación de microorganismos que constituían el plancton marino. Estos, empujados por las corrientes marinas hacia las zonas ribereñas, morían y se depositaban en el fondo, quedando recubiertos por sucesivas capas de arena, limo y arcilla. Esta gelatina de materia orgánica, al quedar aprisionada, experimentó una descomposición provocada por bacterias en ausencia de aire, lo

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que unido a los factores de presión y temperatura dio lugar a los diversos hidrocarburos que constituyen el petróleo crudo. Algunas otras suponen que los hidrocarburos se han formado por descomposición de la vegetación bajo la acción bacteriana. También suponen la formación de hidrocarburos ligeros a partir de grandes masas de sustancias animales o vegetales bajo la acción de grandes presiones y temperaturas en el seno de la Tierra, mediante una acción catalizadora de determinadas sustancias se unieron formando hidrocarburos mucho más pesados. En la Figura 2.1 se muestra el proceso de formación del petróleo. PE:TIIOLE:O

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Figura 2.1. Proceso de formación de petróleo, extracción e industria

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Estas teorias se consideran como las más razonables al comprobarse que los estratos en que se ha formado el petróleo no han estado nunca a temperaturas superiores a los 38°C, lo cual descarta la teoría de origen inorgánico, ya que su obtención a partir de carbúros metálicos requiere temperaturas mucho más elevadas. Los estudios recientemente realizados en el laboratorio, analizando rocas petrolíferas de campos productores, parecen confirmar un origen orgánico, ya que se han encontrado en ellas ciertas propiedades ópticas que sólo se localizan en sustancias orgánicas; por otro lado, el contenido de nitrógeno y otras sustancias en el petróleo, solamente puede proceder de materiales orgánicos. También puede confirmar el origen orgánico, el hecho de que la mayor parte de los yacimientos del petróleo en el mundo se locali- · zan en lugares que fueron ocupados por lagos y mares hace millones de años.

3. Localización geológica y geográfica Generalmente el petróleo se encuentra en las rocas sedimentarias; sólo en pocas ocasiones se ha desplazado de su ambiente hacia rocas ígneas adyacentes. Las rocas que tienen los yacimientos comerciales son arenas, areniscas, conglomerados, calizas y dolomitas porosas, y en menos proporción esquistos fisurados. Las rocas son casi invariablemente estratos marinos o capas de agua dulce asociadas a ellas. Por consiguiente pueden eliminarse las regiones de rocas precámbricas ígneas y las metamórficas. La edad de los horizontes petrolíferos de las principales provincias petrolíferas del mundo se indica en Tabla 2.1. El petróleo jamás forma bolsas en el sentido de lagos subterráneos, sino que se impregna o embebe en una roca, como el agua en la esponja o el alcohol en un papel absorbente. Normalmente, la roca madre estaba inmersa en el mar y sus poros estaban llenos de agua. Al formarse el petróleo junto a esta roca, su fluidez y ligereza le lleva a desplazar el agua, pasando a ocupar los poros que ésta ocupaba. De esta forma el petróleo inicia un viaje que puede ser

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Tecnología del cemento asfáltico Tabla 2.1. Edad de los yacimientos de petróleo en las principales regiones petrolíferas del mundo PALEOZOICO

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Holandesas

largo, aunque muy lento, atravesando rocas permeables, hasta encontrar un muro de roca dura y sin poros que lo contiene. Este casquete rocoso impermeable es generalmente un esquisto o una arcilla pero también es posible encontrar calizas y dolomitas densas, así como el yeso y las areniscas de grano fino y las esquistosas cuando están cementadas. Los esquistos, arcillas y calizas impermeables, impregnadas de agua, retienen incluso el gas. Los casquetes de roca buenos forman tapaderas eficaces del petróleo y el gas durante largo tiempo, pero si son deficientes permiten el lento escape de los hidrocarburos móviles y su posterior oxidación. En las capas sedimentarias inclinadas, la migración del petróleo en sentido ascensional por el buzamiento continuará hasta que surja a la superficie o quede retenido en algtma trampa donde se acumule y forme un yacimiento. Si los estratos están plegados formando un anticlinal, la migración ascensional por el buzamiento cesa cuando el petróleo alcanza la parte superior del arco, donde se

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acu mula formando un yacimiento anticlinal, siendo este el tipo más común de trampa. Por sus características, las trampas se pueden clasificar en trampas estructurales, trampas estratigráficas y tramp~s combinadas, según puede verse en la siguiente relación:

* Tipos

TRAMPAS ESTRATIGRAFICAS

TRAMPAS ESTRUCTURALES

Diacon:tancias•

Anticlina~

l..ineas litoralas antíguas•

Domo•

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Monoclínal"

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Terrazas

Cuila vertical de arena•

Sinclinale$

Disminución vertical óe la porosidad

Faltas*

S~o~perposición•

fisura

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domos de sat•

Anecifes de coral enterrados•

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más importantes de depósitos de petróleo

El petróleo puede aparecer acompañado de agua, que embeberá los poros inferiores de la roca, y de gas natural, que ocupará la parte superior.

4. Búsqueda, sondeo y extracción La localización de una trampa petrolífera resulta, en general, una tarea larga y complicada que se lleva a cabo en dos fases. La primera consiste en un estudio detallado de los mapas geológicos de la zona donde se presume, por sus características, que puede haber un yacimiento o acumulación de petróleo. Estos mapas proporcionan información sobre la estructura del subsuelo, partiendo de la cual los geólogos pueden conocer, en parte, los fenómenos que tuvieron lugar en la zona, hace millones de años. Estos estudios dan una primera información, gracias a la cual se sabe si en la zona se dieron las condiciones necesarias para la formación del petróleo, o si en el subsuelo existen capas que puedan almacenar el petróleo formado por zonas próximas.


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Si esta primera información arroja resultados favorables, se da inicio a la prospección geofísica del terreno para obtener mayor seguridad sobre la existencia de trampas que pudieran contener hid¡;ocarburos. Para ello, se utilizan aparatos muy sensibles capaces de medir pequeñas variaciones de las ondas sísmicas, provocadas por mínimas explosiones en la superficie, con lo cual es posible elaborar mapas de las capas enterradas y determinar, después de completas interpretaciones de los expertos, si se encuentran o no trampas estructurales. Una vez localizada la trampa, comienza el proceso de perforación, único método con que se cuenta para saber a ciencia cierta si hay o no hidrocarburos. Con este fin, se utilizan unos tubos que empalmados unos con otros pueden alcanzar grandes profundidades. En el extremo de estos tubos se coloca una broca perforada provista de dientes muy duros, y cuya naturaleza varía según el tipo de terreno que hay que penetrar, llegando a utilizarse las recubiertas con diamantes, cuando se han de atravesar capas rocosas muy duras. Todo este conjunto de tubos y broca, que cada vez adquiere mayor longitud y peso, se suspende de una polea móvil situada en una torre de acero colocada justamente sobre la zona de perforación, si ésta se realiza en forma vertical. Técnicamente existen varios sistemas para la perforación de un pozo petrolífero, pero el más corriente es el de rotación. En este sistema el conjunto de tubos se hace girar mediante un motor eléctrico unido a una pieza que se llama mesa de rotación colocada en la parte inferior de la torre. Este movimiento de rotación es el que hace que la broca alcance profundidades cada vez mayores. Una vez descubierto el petróleo, el hueco es revestido por tuberías de acero para evitar que las paredes se derrumben. Posteriormente los técnicos proceden a las pruebas de producción, por medio de aparatos especiales que permiten poner en comunicación el fondo del pozo con la superficie. También se puede mirar el caudal de producción en diferentes intensidades, así como las variaciones de presión correspondientes. El petróleo recogido es analizado y se evalúa el porcentaje de gas que presenta. El conocimiento de todos

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estos factores es necesario para determinar la rentabilidad de su explotación. Hallada la trampa y evaluada su comercialidad, comienza el proceso de extracción, que puede ser natural o artificial. La extracción natural se produce cuando la trampa petrolífera, se encuentra en tales condiciones que, bien porque exista una capa de agua bajo el petróleo, bien porque éste se encuentra mezclado con gas, la presión hace que el petróleo que impregna las rocas ascienda por los tubos de producción. Si no sucede así, se emplean equipos con las unidades de bombeo o 'machines' que elevan el petróleo hasta la superficie. La industria moderna del petróleo empezó cuando el coronel Francis Drake en Titusbille (PEN), perforó en agosto 27 de 1859 el primer pozo a 69 1/2 pies de profundidad, el cual produjo 2 mil barriles en un año. Actualmente, la producción media mundial de petróleo es de 55 millones de barriles diarios.

5. Los yacimientos Un yacimiento de petróleo no es un charco subterráneo, sino simplemente una acumulación de petróleo en los poros de una roca. Se definen como acumulaciones de gas o petróleo formando un sistema hidráulicamente interconectado, en las partes más porosas de los estratos que forman una trampa. La acumulación tiene lugar solamente en rocas porosas y permeables. Una arcilla rocosa tiene elevada porosidad, pero reducida permeabilidad, y por lo tanto no es un depósito rocoso adecuado. Sus numerosos y diminutos poros crean una resistencia por fricción a la circulación haciendo que los fluidos que contiene queden firmemente retenidos por capilaridad. Las rocas más adecuadas como depósitos son las sedimentarias tales como las arenas, areniscas, calizas y dolomitas porosas o cavernosas, pocas veces los esquistos fisurados y en menor proporción las rocas ígneas articuladas. Cuanto mayor es la porosidad, mayor será el volumen de petróleo que podrá contener un depósito de roca, y cuanto mayor sea el


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tamaño del poro, mayor será la cantidad de petróleo que rendirá, puesto que con granos pequeños y poros pequeños quedará retenido en los granos de la roca mayor volumen de petróleo, el cual es mu):' difícil de recuperar. Algunos yacimientos de hidrocarburos se hallan también conectados a rocas llenas con agua denominadas acuíferos. El petróleo, para que fluya a través de la roca, debe ser forzado a moverse. Existen diferentes clases de fuerzas que causan este movimiento, las cuales reciben el nombre de mecanismos de producción. Dichos mecanismos son: compacidad, capilaridad, flotación, gravedad, corrientes, acumulación.

Compacidad Los fangos madres pueden contener hasta el 80% de agua. A medida que van depositándose capas de sedimento, el peso, cada vez mayor, va haciendo gradualmente más compactos los lechos inferiores, de modo que los fluidos encerrados en los mismos son expulsados por compresión hacia lugares donde la presión es menor, tales como los espacios porosos de las arenas. Los fluidos pueden desplazarse en sentido ascendente, descendente y hasta lateral.

Capilaridad Si los esquistos humedecidos con petróleo están en contacto con areniscas humedecidas con agua, ésta, debido a su mayor tensión superficial, se desplazará de los poros gruesos de la arenisca y penetrará en los poros capilares finos del esquisto, de donde desplazará al petróleo, que pasará a las areniscas adyacentes.

Flotación Siendo el petróleo más ligero que el agua, tiende a flotar en la superficie de la misma. Del mismo modo, el gas libre flota por encima del petróleo. Esta migración secundaria tiene lugar dentro de las rocas, que hacen las veces de depósito. Es más eficaz donde

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los espacios porosos son grandes y en aquellos lugares donde el fenómeno comprende grandes volúmenes de fluidos; ello da origen a la disposición común estratificada del agua, petróleo y tal vez del gas. S~ las capas huéspedes son horizontales, el petróleo tenderá a desplazarse hacia la parte superior de las capas permeables y no puede producirse ninguna acumulación pronunciada; si dichas capas están inclinadas, el petróleo tiende a desplazarse ascendiendo por el buzamiento, y puede producirse la acumulación en depósitos de petróleo.

Gravedad Donde se halle agua, las diferencias de peso específico entre el petróleo y el agua dan lugar a la flotación, pero donde no se presenta el agua, la gravedad hace que el petróleo se desplace en sentido descendente por el buzamiento, hasta quedar detenido por capas impermeables; ello da origen a una acumulación sinclinal.

Corrientes Las corrientes de agua subterráneas hacen discurrir el petróleo junto con ellas, y aceleran la migración del mismo. Estas corrientes pueden ser producidas por la compacidad o por la circulación artesiana. Esta última puede constituir un medio muy eficaz de provocar un desplazamiento de petróleo en gran escala y en zonas extensas.

Acumulación La migración de petróleo da lugar generalmente a la acumulación, que consiste en una concentración de gotitas de petróleo en los depósitos. El petróleo puede desplazarse sin acumularse en cantidades no comerciales, como en la parte superior de capas horizontales, pero la acumulación concentrada es esencial para producir yacimientos petrolíferos de rendimiento comercial, y esto, a su vez, depende de la presencia de rocas y trampas adecuadas para retener el petróleo.


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6. Los pozos petrolíferos Un pozo petrolero se puede definir como un dueto que comunica la formación o roca productora en el subsuelo con la superficie, y a través del cual se extraen los distintos fluidos presentes en un yacimiento. Este dueto está constituido por un hueco que es protegido con una tubería especial denominada revestimiento (ver Figuras 2.2 y 2.3). El diámetro de la tubería de revestimiento que se introduce en el hueco perforado es menor que el diámetro del hoyo; en este espacio anular se coloca una lechada (mezcla de cemento, agua y algunos aditivos químicos), para adherir esta tubería de revestimiento al hueco y así aislar zonas que contienen petróleo y/o gas. Este proceso se denomina cementación.

Figura 2.2. Perforación de un pozo petrolífero

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TUBDU DI PIODUCCJON

Figura 2.3. Esquema de un pozo petrolífero

El número de revestimientos presentes en el pozo depende de diversos factores tales como: profundidad final del pozo, presencia ·de zonas inestables que se derrumban y las cuales deben ser protegidas antes de continuar con los trabajos de perforación, la presencia de rocas con presiones anormales que requieren ser aisladas, etcétera.

Terminación del pozo La etapa posterior a la perforación de un pozo consiste en la preparación o terminación del mismo para la producción de los distintos fluidos almacenados en el yacimiento. De acuerdo con las características de la roca acumuladora y de los fluidos presentes en el yacimiento, la terminación o complemento de un pozo se puede desarrollar por diferentes métodos:


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• Terminación del hueco abierto, que se realiza cuando la zona productora está formada por roca dura, en donde las paredes del pozo se dejan completamente libres sin revestimiento protector. • Terminación con revestimiento ranurado (liner), desarrollado en arenas sueltas. Aquí se cementa la tubería de revestimiento hasta la parte superior de la zona productora y posteriormente se emplea un revestimiento ranurado (liner) a través de las arenas productoras. • Terminación con revestimiento a través de la formación productora, en el cual se baja el revestimiento cubriendo toda la zona productora y se cementa para dejarlo fijo. Posteriormente se comunica la roca productora con el pozo por medio de unos orificios efectuados en el revestimiento, utilizando proyectiles disparados desde el interior del revestimiento y accionados eléctricamente desde la superficie (esta operación se denomina cañoneo). Indistintamente del tipo de terminación que se desarrolle en un pozo, la extracción a superficie de los fluidos generalmente se efectúa a través de una tubería de diámetro menor al revestimiento que se introduce dentro del mismo y que se denomina tubería de producción. El petróleo puede ser transportado desde el subsuelo a la superficie en forma natural (flujo) o por métodos artificiales. Existe flujo natural cuando la presión del yacimiento es suficiente para levantar los fluidos con su propia energía hasta la superficie. Sin embargo, una vez la presión del yacimiento disminuye a ciertos niveles, tal que los pozos no producen con la energía natural del yacimiento, se requiere de métodos artificiales para extraer el petróleo. Los métodos artificiales más utilizados son el bombeo mecánico, el bombeo neumático y bombeo con centrífugas (Figura 2.4). Después de que los fluidos extraídos de un yacimiento están en la superficie, éstos son separados, almacenados y transportados a la refinería para su respectiva comercialización.

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Figura 2.4. Sistema de bombeo por medio de un balancín

Profundidad de los pozos petrolíferos El petróleo se presenta desde la superficie hasta las mayores profundidades que han podido explorarse por perforación. A medida que ha ido perfeccionándose la técnica de la perforación se ha encontrado petróleo a mayores profundidades. Antes de 1920 eran muy escasas las perforaciones realizadas a una profundidad de 1.200 m; hacia 1930 eran comunes profundidades de 1.800 m y 2.400 m; hacia 1940, los pozos habían alcanzado profundidades de 4.576 en California y hacia 1950, el pozo más profundo alcanzó la cifra de 6.250 m. La profundidad varía mucho de un yacimiento a otro y hasta en un mismo yacimiento. Igualmente, en un solo pozo pueden perforarse varios horizontes productivos. Los pozos más profundos han procedido, en general, de regiones de estratos terciarios gruesos.

Extracción, transporte y recepción Los pozos de petróleo son perforados por la rotación de una herramienta llamada trépano; este procedimiento designado con el nombre


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de perforación rotativa, ha reemplazado por completo a la perforación por percusión. Cuando el sondeo o perforación ha alcanzado un yacimiento, la pres·encia de hidrocarburos se manifiesta por inclusiones de petróleo o de gas en los lodos o detritos de perforación. En este momento se decide emprender la explotación del pozo; para ello, una columna de producción es descendida hasta la zona afectada, y la cabeza o boca del pozo se equipa con una serie de tuberías, cuyo conjunto se designa con el nombre de 'árbol de navidad' (Figura 2.5); debido a su forma, dicho sistema está provisto de un sistema de válvulas y compuertas de distintas dimensiones que permiten regular el caudal de extracción. Seguidamente se conectan unas canalizaciones con un depósito a presión, donde el crudo es separado del gas y conducido a los tanques cilíndricos. El transporte inicialmente sé realizaba por medio de carrotanques (Figura 2.6), los cuales han sido reemplazados por los oleoductos, sistema que tiene una inversión inicial bastante grande pero que se justifica por el alto grado de eficiencia.

Figura 2.5. Sistema de extracción del crudo en el Lago de Maracaibo

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Figura 2.6. Sistema de transporte por carrotanque

7. Clasificación de los crudos Los yacimientos de petróleo crudo muestran gran diversidad de forma física y composición química. Cada yacimiento es distinto y propone un proceso de refinación del cual es posible obtener infinidad de productos. Una forma de clasificar los petróleos es conociendo el contenido de fracciones destilables y de betún residual (mezclas de hidrocarburos generalmente acompañados de sus derivados no metálicos, solubles en sulfuro de carbono, de alto peso molecular a temperatura ambiente). Para ello, se recurre a pruebas físicas sencillas como la densidad expresada de un modo arbitrario, tal como los grados API (American Petroleum Institute), las cuales sustituyeron a las unidades Baumé; un peso específico de 1.000 equivale a 10 API; 0,9, equivale a 25,7 API.


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La densidad o grados API está definida por la siguiente expresión: 0

API

=

(141,5 1 PE)- 131,5

donde PE: peso específico del crudo. Los crudos se pueden clasificar de acuerdo con: la densidad, el contenido del betún y la composición química.

De acuerdo con la densidad • Crudos pesados: cuando tienen bajo grado API • Crudos livianos: cuando tienen alto grado API • Crudos medianos: de grado API intermedio

De acuerdo con el contenido de betún • Petróleos de base asfáltica o nafténica, los cuales se caracterizan por tener altos contenidos de betún y algunas trazas de parafina y en su composición predominan los hidrocarburos nafténicos. • Petróleos de base no asfáltica o parajínicos, los cuales no contienen asfalto, pero sí cantidades apreciables de parafina sólida, están compuestos por hidrocarburos parafínicos. De estos se obtienen lubricantes de buena calidad. • Petróleos de base mixta o semiasfáltica o semiparafinica, contienen cantidades moderadas de asfalto y parafina sólida; presentan en su composición hidrocarburos parafinicos y nafténicos y ciertas proporciones de aromáticos.

De acuerdo con su composición química • Petróleos de base parafinica, contienen elevadas proporciones de compuestos sencillos parafinicos y de ceras asfálticas de alto peso molecular. • Petróleos de base asfáltica, contienen proporciones muy pe-

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queñas de los compuestos predominantemente aromáticos y nafténicos de muy elevado peso molecular que producen el asfalto original.

• Petróleos de base mixta o intermedios, presentan características de ambos crudos. En la Figura 2. 7 se muestra un resumen de la clasificación de los crudos. •APl P ESPE.

13,0 0,979

28.0

0,887

Fl'áCCión destilable

Bachaquero

pesado nafténico

Arab-heavy med1aoo íntermedio

50,8 0,776

Fracei6n destilable

El dificil IMano parafinlco

Figura 2.7. Clasificación de los crudos del petróleo

8. Características de las fuentes de los crudos aptos para producir asfaltos La fuente del crudo para la producción de asfaltos es el factor más significativo en su calidad. Cada fuente de crudo se define por un área específica de un depósito que produce un crudo de características similares. Por lo general, se compone de una serie de pozos


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que se encuentran localizados en distintas secciones a todo lo largo del depósito o yacimiento petrolífero. Así que todos los pozos que están en ese campo producen crudos que se mezclan para obtener un c;rudo con características uniformes invariables durante el tiempo de producción de ese campo. Cada yacimiento tiene su propio tamaño y se ha definido con cierta precisión la cantidad de crudo que va a producir durante cierto tiempo. A nivel mundial se ha determinado que para producir un buen asfalto es necesario mezclar dos, tres o más fuentes de crudo diferentes. Si una determinada fuente no cuenta con las propiedades aceptables, se le puede mezclar con otra fuente para producir una mezcla que tenga propiedades aceptables para obtener un asfalto de buena calidad. Sólo un 20% de las fuentes son aptas para producir de manera directa un asfalto. En Colombia, los asfaltos que se producen en las refinerías de Barrancabermej a y Cartageria son producto de la destilación de una mezcla de crudos provenientes de distintos campos, mientras que al mezclar los crudos Apiay y Castilla se obtiene el asfalto de la planta de Apiay en el departamento del Meta. Otro factor a tener en cuenta en la selección 4e la fuente de crudo tiene que ver con el rendimiento o cantidad de asfalto que se puede obtener de él. Dicho rendimiento depende de la densidad del crudo o su grado API. Entre más pesado sea el crudo, más asfalto se va a obtener de esa fuente. Por lo general, los rendimientos varían desde el 1% en crudos muy livianos hasta el 60%. en crudos pesados. Las diferentes cantidades de cemento asfáltico que se pueden obtener de los crudos del petróleo, en función de su grado API, se observan en la Figura 2.8. Se puede ver cómo para un API de 1O es posible obtener alrededor de un 80% de asfalto, mientras que para un API de 30 se obtiene sólo un 20% de asfalto. Obviamente existe cierta dispersión para algunos crudos, pero esta relación es aproximada para la mayoría de los crudos que se conocen en el mundo. Cuando la fuente de crudo cambia de una a otra, es necesario ajustar las temperaturas de refinación con el fin de compensar dicho cambio. Las diferentes cantidades de asfalto que se pueden obtener de distintos crudos se observan en la Figura 2.9.

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50

Figura 2.8. Variación del contenido de cemento asfáltico con el grado API del crudo

La composición de los crudos varía apreciablemente con su grado API. En la Figura 2.1 O se pueden observar las cantidades de los productos obtenidos en tres crudos diferentes. El Boscán que proviene de Venezuela, muy pesado, con un API de 1O, 1, el Arábico con un API de 28,2 y clasificado como pesado y el Nigeriano con un API alto de 38,1. La producción de gasolina es diferente para cada crudo, obteniéndose mayor cantidad en el crudo más liviano (33%) y sólo el 6% en el más pesado. Por otra parte, la cantidad de asfalto es mayor en el crudo Boscán (58%), mientras que con el nigeriano se obtiene sólo el 1%. Para definir el proceso de refinación, los parámetros de operación durante el proceso y la cantidad de los productos a obtener, la

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compañía petrolera lleva a cabo una serie de análisis para evaluar la calidad del crudo utilizado para producir asfalto. Alguna de esas evaluaciones son: IRAQ.

PIIIHUCO MEl(ICO

TAU:O TEXAS

300

"

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"'z~ RENDIIIIIENTO

D.EL

CRUDO

o¡o

VOLUN.EH

Figura 2.9. Variación de la cantidad de asfalto con el tipo de crudo

• La cromatografía de gases. Permite obtener el punto de ebullición que se podría esperar de esa fuente y la cantidad potencial que se podría esperar de asfalto.

GRAl/EDAD API PESO ESPECIFICO %AZUFRE

BOSCAN VENEZJJELA 10.1 0.999 6.4

ARABIAN HEAV't· 28.2 0.886 2.6

NIGERIA LIGHT 38.1 0.834

0.2

GASOL

LIVIAIIC

FESilUO ASFALTICO

Figura 2.10. Rendimiento de los productos según el crudo

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• La destilación según la norma ASTM D-11 60. Es el procedimiento que permite obtener el punto de ebullición real de la fuente de crudo antes de pasarlo a través de una planta piloto, donde se sim\llan las condiciones del proceso de destilación en refinería. • La cantidad de azufre. Por lo general con los crudos mas pesados se tiene un mayor contenido de azufre que en la mayoría de los casos no es deseable para la refinería debido a los distintos problemas de corrosión inherentes. De igual manera, este componente tiene que ver con algunas propiedades del asfalto tales como la susceptibilidad térmica, rigidez, etc, que se explicarán mas adelante.

9. Proceso de refinación El proceso de refinación del crudo es otra variable que tiene que ver con la calidad del asfalto producido, aunque la fuente de crudo sigue siendo el factor más importante. El proceso de refinación del crudo comienza con su recepción en tanques cilíndricos (Figura 2.11 ), utilizando procedimientos definidos y caracterizados que conducen hoy día a una sistematización

Figura 2.11. Tanques de almacenamiento en la planta de Apiay


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propia de la refinería. Para poder legalizar el recibo del crudo se le determina esencialmente, las siguientes características:

• Densidad en grados AP1 • El contenido de sal, el cual no debe exceder en 20 libras por cada l. 000 barriles. • El contenido de agua máximo, que debe ser del 1%, de todas formas se descuenta cualquier cantidad de agua adicional en el momento de pago. Recibido el crudo, se le somete a un proceso de deshidratación y desalinización. El proceso de desalinización busca retirar la sal presente en el crudo que podría ser nociva por su alto poder corrosivo. Por lo general todas las refinerías realizan procesos físicos para retirar la sal al crudo sin deteriorar la calidad final del asfalto. Los métodos más comunes son: • Un tratamiento electrostático, en el cual se somete al crudo a un paso de voltaje de 460 voltios y 0,5 amperios. • Lavado mediante agua previamente clarificada y tratada con sulfato de aluminio o cloruro férrico.

Figura 2.12. Trabajos para la construcción de un oleoducto

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Otro proceso que se utiliza en algunas refinerías norteamericanas es el desparafinado del crudo antes que pase al resto del sistema. La parafina es muy nociva como componente de los lubricantes y para la cali4ad del asfalto. Por lo general, se realiza al fmal del proceso de. refinación con el fin de producir lubricantes de alta calidad. La refinación del crudo comienza con su recibo en tanques cilíndricos. Una vez que cumplen con los requisitos de calidad, se bombean a las unidades de destilación primaria. En una primera etapa, el petróleo es alimentado dentro de un intercambiador de calor (calor proveniente de los productos de la torre atmosférica y vacío) produciendo así un ahorro de consumo de gas combustible en el horno atmosférico. Posteriormente pasa a un horno donde se. vaporiza parcialmente y luego a la torre atmosférica a una temperatura alrededor de los 750°F, en la cual, por diferencia de temperaturas de condensación (punto inicial y punto final de ebullición) se obtienen las fracciones más livianas como los gases de cima, los cuales no se pueden licuar, la nafta, el jet-A, el Queroseno, el ACPM y el gasóleo atmosférico. Los elementos más volátiles alcanzan los niveles más altos de las torres y los más pesados no logran ascender. A esta primera operación se le conoce con el nombre de destilación primaria o descabezamiento.

Figura 2.13. Refinería de Barrancabermeja (Santander)


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El residuo de esta etapa de destilación denominado crudo reducido o crudo topping, es la parte mas pesada del crudo que no se logró vaporizar a esas condiciones de presión y temperatura. E'I crudo reducido es sometido a una destilación al vacío, pues es necesario evitar temperaturas elevadas tales como 400°C y más, a las cuales se produce el cracking (que significa rompimiento) o destilación destructiva, porque con ella se obtiene la ruptura de las moléculas pesadas del petróleo en moléculas menores y en general no saturados y fácilmente oxidables. En la actualidad, la mitad de las gasolinas que se consumen en el mundo son productos del cracking. El residuo pasa por un horno al vacío donde se vaporiza parcialmente, luego pasa a la torre de vacío, donde se obtienen, por un lado gasóleos liviano y pesado y por el fondo de la torre los residuos finales de esta destilación que

Figura 2.14. Puntos de corte en la torre atmosférica para diferentes tipos de crudo

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se conocen con el nombre de fondos de vacío. Es importante tener en cuenta que las distintas fuentes de crudo varían en cuanto a sus requisitos de temperatura en la torre de vacío. Algunos crudos que puede:p. dar una cierta penetración o viscosidad en el asfalto podrían requerir temperaturas equivalentes al vacío del orden de 1.000°F, mientras que otros crudos necesitan temperaturas menores (Figura 2.14). Cada crudo requiere distintas condiciones de operación en la refinería para obtener un asfalto que cumpla con las especificaciones exigidas (Figura 2.15). Las refinerías prefieren no cambiar la fuente del crudo de un día a otro. Prefieren mantener una calidad uniforme con el fin de mantener las condiciones de procesamiento. Cuando se cambia la fuente de crudo se necesitan de 12 a 16 horas para ajustar las condiciones de procesamiento, adecuándolas a las características de la nueva fuente. Cada vez que se realiza un cambio, no se van a obtener los mismos rendimientos de los productos especificados, lo cual afecta la eficiencia de la planta. En los últimos años se han presentado muchos cambios en la cantidad de fuentes de crudos utilizadas. Se han agotado muchos de los campos petrolíferos antiguos y hay nuevos campos que se están desarrollando. Esto ha complicado no solamente el proceso de refinación sino también el manejo del asfalto por parte de los ingenieros de pavimentos, los cuales se deben ajustar a las nuevas fuentes de crudo utilizadas para su producción. Si las características del crudo de alimentación son adecuadas, este es empleado directamente en la pavimentación, en caso contrario, es sometido a procesos tales como: • tratamientos con solventes (desasfaltar), • soplado con aire (oxidación) y • procesos alternos. El tratamiento con solventes es utilizado cuando se necesita extraer cantidades adicionales de fracciones con alto punto de ebullición que se emplean para la fabricación de aceites lubricantes; consiste en poner al residuo de la torre de vacío en contacto con co-

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VARIACIOH DE U. PENETRACIOH DEL ASFALTO CON LA COMPOS/CION DE LA MEZCLA

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VARIACION DEL PUNTO DE ABU.NlliWIENTO DEL MFN.. TO CON LA COMPOSICIOH DE LA MEZCLA PTOCHISPA (@ 700"F)

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VARIACIOH EN EL RENDIMIENTO DE ACPM Y FONDOS (TOO "F) CON LA COMPOSICIOH DE LA MEZCU.

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Figura 2.15. Variación de las especificaciones con el punto de corte del crudo

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mentes de gas propano o butano entre 60°C y 70°C y 20 atmósferas de presión. El asfalto obtenido es de muy baja penetración y puede ser utilizado como un componente de mezcla para la obtención de cementos asfálticos. El soplado u oxidación con aire se utiliza cuando el residuo obtenido es de baja viscosidad y es necesario incrementarla para cumplir con las especificaciones dadas. Es un proceso muy utilizado en Europa. El aire se sopla a los fondos de vacío que se calientan a 500°F creando una reacción química que se llama deshidrogenación y polimerización, generando un aumento en el tamaño de las moléculas de asfalto, lo cual da como resultado un producto de mayor viscosidad.

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Figura 2.16 Proceso de refinación del crudo para la obtención del cemento asfáltico


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La combinación o las mezclas de crudos, se utiliza también para encajar un producto dentro de unas especificaciones definidas. El procedimiento descrito· anteriormente se muestra en la Figura 2.16.

10. Composición química Actualmente es necesario tener un amplio conocimiento de la constitución química del crudo del petróleo, ya que regirá las propiedades reológicas del asfalto brindando una gran ayuda para su control y adecuación a la función que va a desarrollar en la vía. Muchos técnicos consideran innecesario el estudio de la composición química de los materiales, y sólo hacen referencia a sus propiedades fisicas y mecánicas más directamente relacionadas con su aplicación directa. Se ha demostrado a través de los años que los diferentes problemas que se presentan durante el diseño y la cot?-strucción de la estructura de un pavimento se deben principalmente al desconocimiento de sus propiedades químicas. Para lograr un manejo óptimo de cualquier material se hace necesario que se le conozca completamente mediante el estudio de todas y cada una de sus propiedades. La composición química del crudo del petróleo regula las propiedades fisicas y reológicas de los asfaltos obtenidos. Los principales componentes químicos de los crudos del petróleo son los hidrocarburos, unidos a ellos se encuentran otros materiales que afectan el desempeño del producto de la refinación como ligante asfáltico. A estos materiales se les conoce con el nombre de heteroátomos o elementos únicos. Entre los principales se encuentran el azufre (1% a 7%), el oxigeno (0,25% a 2%), el vanadio (1 00 a 1.500 ppm), el níquel (20 a 200 ppm), el nitrógeno (0,5% a 3%), etc.

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Referencias bibliográficas AB~,

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Capítulo3 EL PETRÓLEO COLOMBIANO

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11

Los crudos obtenidos de los pozos colombianos son líquidos más o menos espesos, de densidad menor a la del agua, muy viscosos y compuestos por una serie muy compleja de hidrocarburos, a los cuales se les unen impurezas, tales como el azufre, el oxígeno y el nitTógeno, entre otros.

l. Reseña histórica Los primeros hallazgos de petróleo que se conocen en el país datan desde los inicios de la conquista española; por esa época (año 1536), la expedición al mando del conquistador Gonzalo Jiménez de Quezada, recorría las riberas del río Magdalena con el propósito de realizar nuevos descubrimientos que ayudaran a incrementar las ya abundantes arcas reales. Atravesando selvas vírgenes y afrontando toda serie de vicisitudes y penurias, los ejércitos conquistadores llegaron a un caserío indígena llamado Latora, actualmente Barrancabermeja; este lugar se constituyó en el centro de las operaciones para la explotación de los ríos circunvecinos y la búsqueda de nuevas rutas para llegar al interior del Nuevo Reino. A una jornada del pueblo de Latora (lugar de desembarco de los bergantines) fue descubierta una fuente de betún, el cual fue descrito por Quezada como " ... pozo que hierve y corre fuera de la tierra, entrando por la montaña al pie de la serranía, en gran cantidad y muy espeso"; los indios lo utilizaban para untarse en las piernas y así disminuir el cansancio. A este lugar lo llamaron los españoles Infan-

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tas, en honor a las hijas del Rey de España, recién nacidas. A comienzos del presente siglo, José Joaquín Bohórquez, descubrió con fines industriales las primeras muestras de petróleo eplos bosques de La Colorada. josé Joaquín era procedente de Guaduas (Caldas), y se dedicaba a la explotación de caucho. Habiéndose instalado con su gente en un burdo campamento, a un kilómetro de Infantas, encontró unos manaderos naturales donde brotaba el precioso líquido, con el que mojaba las mechas para prenderlas durante las largas noches de permanencia en el sitio. Contento con aquel descubrimiento, partió hacia Barranquilla llevando consigo muestras de dicho líquido, con el propósito de darlo a conocer y buscar un socio en el nuevo y promisorio negocio. Fue allí donde conoció a Roberto De Mares, un comerciante barranquillero, con el que viajó posteriormente a Barrancabermeja para sentar las bases de lo que sería la mayor explotación que empresa alguna haya iniciado en Colombia. Roberto De Mares, quien era el ahijado de matrimonio del general Rafael Reyes, presidente en aquel entonces, logró fácilmente una Concesión del gobierno para la explotación de las fuentes de petróleo el 28 de noviembre de 1905, la cual llevó su nombre durante la primera mitad del siglo XX. Es de anotar que un mes atrás, el general Virgilio Barco había obtenido igual privilegio para explotar la zona petrolífera del Catatumbo. Tras muchos viajes a los Estados Unidos, logró interesar a una serie de capitalistas americanos para la financiación de aquel proyecto; entre ellos se contaban Michel Benedum y Jhon Leonard, quienes decidieron emprender el desafío y la seria aventura. El 17 de octubre de 1915 una comisión de geología inició los primeros trabajos de prospección geofísica en los sitios de Infantas y San Antonio. Más de medio centenar de hombres fueron dedicados a la limpieza del río La Colorada para dar paso a las embarcaciones que conducían los materiales, maquinaria y herramientas. Los inversionistas americanos fundaron una compañía denominada Tropical Oil Company, la cual tenía como único objetivo la explotación del petróleo y sus derivados. El 14 de junio de 1916 se


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firmó el acta de inicio de los trabajos de explotación. En 1917, la Tropical introdujo un equipo de taladro de percusión con el cual se empezaron a perforar los dos primeros pozos. El 29 de abril de 191.8 se completó el pozo Infantas N° 2, el cual se convirtió en el pozo descubridor del campo, con una producción diaria de 42 barriles. En el mismo año se completaron los pozos 1 y 3. El pozo Infantas N° 1 fue terminado el 11 de noviembre de 1918, a una profundidad de 2.285 pies y su producción inicial fue de 2 mil barriles diarios. Posteriormente se dio inicio a la construcción de la refinería y al tendido de la tubería para transportar hasta ella sus productos. El 18 de febrero de 1922 se puso en funcionamiento el conjunto de maquinaria, alambiques, equipos y tanques traídos en su mayor parte desde las instalaciones de la Internacional Petroleum Company en el Perú. En el año 1948, la ley 165 autoriza al Gobierno Nacional a organizar la Empresa Colombiana de Petróleos, lo cual se concreta en 1951 mediante el decreto 30 de ese año. En esta forma se hace patente la intención del Gobierno Nacional de intervenir en forma directa en una actividad que hasta entonces había sido adelantada con capital privado nacional y extranjero únicamente. Mediante la ley 20 de 1969, se autoriza al Gobierno Nacional a declarar como reserva de la Nación cualquier área petrolífera del país salvo en aquellos casos donde los particulares puedan acreditar derechos adquiridos sobre el subsuelo. El Estado aportará estas áreas a Ecopetrol con el fin de que las explore y explote directamente o en asociación con el capital público o privado, nacional o extranjero. En el año 1974, el Gobierno determinó abolir el sistema de concesión, o sea que a partir de ese momento no se otorgaron nuevas concesiones y se aceptó la inversión extranjera en el sector petrolero sólo bajo la modalidad de asociación. Es importante anotar que el Ministerio de Minas y Energía es el organismo rector de la actividad petrolera nacional y la Empresa Colombiana de Petróleos, la entidad que lidera y ejecuta las políticas que señala el Gobierno en esta materia. Ecopetrol es una empresa industrial y comercial del Estado co-

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lombiano, vinculada al Ministerio de Minas y Energía, encargada de ejecutar la política petrolera en materia de exploración, explotación y comercialización de petróleo crudo y sus derivados. En resumen, Ecopetrol tiene la responsabilidad de suministrar de manera adecuada y oportuna los combustibles que requiere la sociedad colombiana. Ecopetrol cuenta con una Junta Directiva presidida por el señor Ministro de Minas y Energía e integrada por ocho miembros (cuatro principales y cuatro suplentes) todos designados por el Presidente de la República. La Empresa cuenta con 1O mil empleados aproximadamente, distribuidos a lo largo y ancho del país en unidades operativas, las cuales son: • Distrito de Producción El Centro (Santander). • Complejo Industrial de Refinación y Petroquímica de Barrancabermej a. • Distrito de Refinación de Cartagena. • Distrito Norte de Producción (Tibú, Norte de Santander) • Distrito Sur de Producción (Orito-Putumayo ). • Distrito de Oleoductos. • Distrito Caño Limón-Coveñas. • Oficinas Centrales de Santafé de Bogotá. • Instituto Colombiano del Petróleo.

2. Localización geográfica Colombia tiene dos grandes refinerías, propiedad de la Empresa Colombiana de Petróleos, Ecopetrol, con una capacidad total de refinación de 236 mil barriles diarios de crudo, contra una producción de aproximadamente 420 mil barriles de petróleo por día, incluyendo los campos de Caño Limón.


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La refinería más importante está localizada en Barrancabermej a y es más conocida como el Complejo Industrial de Barrancabermeja, con una capacidad de refinación de 160 mil barriles de crudo y debe su nombre a la complejidad de su operación dado el gran número de procesos que la conforman, pues allí se producen combustibles, lubricantes y petroquímicos. La otra refinería está localizada en Cartagena y tiene una capacidad de 76 mil barriles diarios de crudo, abasteciendo de combustible y cemento asfáltico al norte y parte del occidente y centro del país. En la región de Apiay (Meta), se encuentra localizada la planta de asfalto, destinada al fraccionamiento de crudos pesados. La carga actual a la planta es de aproximadamente 2 mil barriles de crudo al día. En tomo a las refinerías se ha creado un complejo industrial, que ha cambiado por completo la vida económica de la zona de influencia. En la Figura 3.1 se muestra el mapa de localización de los diferentes oleoductos a través de los cuales se transporta el crudo desde los campos petroleros, hasta las refinerías.

3. Materiales asfálticos utilizados en la pavimentación de carreteras La mayor parte de los asfaltos utilizados en trabajos de pavimentación provienen de la destilación del petróleo. La gran versatilidad de los materiales bituminosos hacen de éstos, los más utilizados para la construcción y mantenimiento de estructuras de pavimentos flexibles. Los principales tipos de ligantes bituminosos que se utilizan actualmente para la elaboración de las mezclas asfálticas son los siguientes (Figura 3.2): • Los cementos asfálticos o asfaltos de penetración

78

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Figura 3.1. Mapa petrolero colombiano

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• Los asfaltos líquidos o asfaltos rebajados • Las emulsiones asfálticas • Los asfaltos naturales • Los crudos del petróleo

Los cementos asfálticos o asfaltos de penetración Se designan por lo general con las letras AC y provienen de la refinación del petróleo o de la mezcla de un asfalto refinado y un aceite fluidificante (gasóleo). Se les considera como un material ideal para los trabajos de pavimentación, pues además de sus propiedades aglutinantes e impermeabilizantes, poseen características de flexibilidad, durabilidad y alta resistencia a la acción de la mayoría de ácidos, sales y alcoholes. Son utilizados para la elaboración

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75

25% gasolina

60

40% Agua- Emulgente

kerosene aceites pesados ASFALTO LiQUIDO INDUSTRIAL

EMULSIÓN ASFÁLTICA

Figura 3.2. Materiales asfálticos para pavimentación

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de mezclas asfálticas en caliente, ya que se necesitan altas temperaturas para disminuir su consistencia de tal manera que permita una buena envuelta de las partículas.

Los asfaltos líquidos o asfaltos rebajados También se conocen con el nombre de Cut Back. Se componen de un cemento asfáltico y un fluidificante volátil que puede ser bencina, kerosene o aceite pesado. El fluidificante se adiciona al cemento asfáltico con el propósito de proporcionarle la manejabilidad necesaria para poderlo mezclar y trabajar con los agregados abajas temperaturas. Una vez elaborada la mezcla los solventes o fluidificantes inician el proceso de volatilización (proceso de curado), quedando un residuo denominado asfalto residual que envuelve y proporciona cohesión .a las partículas de agregado. Según el tipo de solvente adicionado, se obtienen tres tipos de asfaltos líquidos. Los de curado rápido (RC) cuando el solvente adicionado es gasolina, curado medio (MC) si el solvente es kerosene y curado lento (SC) si el solvente es un aceite ligero. Se designan con las letras correspondientes a la velocidad de curado seguida de un número que indica su viscosidad cinemática. Por su manej abilidad y baja consistencia se utilizan para elaborar mezclas asfálticas en frío.

Las emulsiones asfálticas Es un sistema heterogéneo de dos fases normalmente inmiscibles, como son el asfalto (60%-70%) y el agua, al que se le incorpora una pequeña cantidad de un agente activador de superficie (0,2%1%), tensoactivo o emulsificante, de base jabonosa o solución alcalina, el cual mantiene en dispersión el sistema, siendo la fase continua el agua y la discontinua los glóbulos de asfalto de tamaño entre 1 y 1O micrones. Cuando la emulsión se coloca en contacto con los agregados se produce un desequilibrio eléctrico que la rompe, llevando a las partículas de asfalto a unirse a la superficie del agregado; el agua


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fluye o se evapora separándose de las partículas pétreas recubiertas por el asfalto. Existen diversos tipos de emulsificantes que hacen que esa separación o rotura sea instantánea y otras que retardan ese fenómeno. De acuerdo con la velocidad de rotura, las emulsiones asfálticas pueden ser: de rompimiento rápido (RS), de rompimiento medio (MS) y de rompimiento lento (SS). Las emulsiones asfálticas deben ser afines a la polaridad de los agregados con el propósito de tener una buena adherencia. Esta cualidad se la confiere el emulsificante, el cual puede darles polaridad negativa o positiva, tomando el nombre de aniónicas las primeras, afines a los agregados de origen calizo, y catiónicas, las segundas, afines a los agregados de origen silíceo o cuarzoso. Las emulsiones catiónicas se designan con las mismas letras anteriores anteponiéndoles la letra C, como por ejemplo la emulsiones catiónicas de rompimiento lento CRS-1.

Los asfaltos naturales Son producto de la destilación natural del petróleo y de factores de tipo geológico. Es común hallarlos frecuentemente en asociación íntima con algún tipo de agregado pétreo. Se encuentran por lo general en pequeños depósitos y filtraciones, rocas impregnadas de asfalto y arenas bituminosas.

Los crudos del petróleo Por lo general se utilizan en su forma natural, aprovechando sus propiedades ligantes, alto contenido de asfalto residual y grado de volatilización de los solventes que lo conforman. El más utilizado en Colombia es el crudo Castilla localizado en el departamento del Meta.

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Referencias bibliográficas AGNU::;DEI, J. O. Asfaltos y emulsiones asfálticas. IV Seminario-Taller, Ministerio de Obras Públicas y transporte, Universidad del Cauca; Popayán, Abril de 1.988 ASPHALT INSTITUTE. Alternatives in paviment maintenance, rehabilitation and reconstruction. Maryland, 1989 CRAWFORD, W. W .. Characterization of asphalt in paving materials. Petrocanadá 1992 FERNANDEZ DEL CAMPO, Juan Antonio. Pavimentos bituminosos en frío. Barcelona: Editores Técnicos Asociados, 1983 ICP, UNIVERSIDAD DEL CAUCA. Cartilla práctica para el manejo de los asfaltos colombianos. Bucaramanga, 1997 INSTITUTO BRASILERO DEL PETROLEO. Informaciones básicas sobre materiales asfálticos. Brasilia, 1985 INSTITUTO NORTEAMERICANO DEL ASFALTO. Manual del asfalto. Espafia, 1982 VELÁSQUEZ, M. Asfaltos. Madrid: Dossat, 1961

Capítulo4 EL ASFALTO

Se denomina asfalto a determinadas sustancias de color oscuro que pueden ser líquidas, semisólidas o sólidas, compuestas esencialmente de hidrocarburos solubles en sulfuro de carbono en su mayor parte y procedentes de yacimientos naturales u obtenidos como residuo del tratamiento· de determinados crudos de petróleos por destilación o extracción. Estos últimos representan más del 90% de la producción total de asfaltos.

l. Los asfaltos naturales Procesos análogos que ocurren en la naturaleza han formado depósitos naturales de asfalto, algunos prácticamente libres de materias extrañas y otros en que el asfalto se encuentra mezclado con cantidades variables de ciertos minerales, agua y otras sustancias. Los depósitos naturales en que el asfalto se presenta dentro de la estructura de una roca porosa se conocen comúnmente con el nombre de asfaltos de roca o rocas asfálticas. Estos asfaltos naturales se manifiestan en diversas formas, entre las que se destacan las siguientes:

Manantiales Se presentan en algunas fuentes de las que fluye petróleo o asfalto líquido, generalmente en pequeña cantidad. Provienen comúnmente de depósitos de cierta importancia, con salida al exterior por alguna grieta de la roca.

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Lagos A veces, manantiales como los de:. eritos anteriormente, pero de un gran c~udal, situados en el fondo de depresiones proftmdas. Pueden dar lugar a la formación de lagos de asfalto, como el muy conocido de Trinidad, cerca de las costas de Venezuela, el cual es uno de los mayores yacimientos de asfalto natural en el mundo. El material en su estado natural, es una emulsión de asfalto, gases, agua, arena y arcilla; para su mejor aprovechamiento, se somete a sencillo-s procesos de refinación que le eliminan las sustancias perjudiciales. Se dice que Colón lo usó para calafatear sus barcos en su viaje de regreso a España. El lago proporcionó la mayor parte del asfalto que se usó en los Estados Unidos en los trabajos de pavimentación, antes de la producción en gran escala del asfalto derivado del petróleo.

Exudaciones Se presentan en rocas porosas saturadas de asfalto, de las que éste fluye bajo los efectos del calor o de alguna presión interior.

Impregnando rocas Son bastante frecuentes los yacimientos de rocas más o menos porosas en las que el asfalto se encuentra llenando parcial o totalmente los poros, pero sin llegar a exudar. La proporción de asfalto contenido en estas rocas puede variar dentro de límites amplios siendo de mayor utilidad aquellas cuya proporción de asfalto es mayor del 7%.

Filones Son intrusiones de asfalto en una masa rocosa, a través de grietas o fallas en algunos de sus estratos o bien, la sedimentación alternada de capas de asfalto y otros materiales. El primer origen generalmente da lugar a filones inclinados o verticales y el segundo a filones horizontales. Es el caso de la llamada gilsonita que se en-


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cuentra en algunas regiones de los Estados Unidos formando filones verticales que se explotan a cielo abierto. Son famosos los filones de asfalto que se encuentran en el lecho del mar muerto. El asf~to contenido en ellos se denomina asfaltites, caracterizándose por su elevado punto de fusión; cuando se desprende alguna cantidad de asfalto de estos filones, por efectos de terremotos u otras sacudidas, los trozos de asfalto, por su menor densidad, flotan en la superficie, donde pueden recogerse. Este asfalto no se explota industrialmente, ya que las cantidades que pueden obtenerse son muy pequeñas. Representa un gran valor histórico ya que fue una de las primeras fuentes de suministro de asfalto en la antigüedad.

2. El asfalto derivado del petróleo Casi todo el asfalto que se produce y utiliza actualmente en el mundo procede de la refinación del petróleo. El asfalto derivado del petróleo es llamado a veces asfalto residual (residuo de la destilación del petróleo) para distinguirlo de los asfaltos naturales. Las implicaciones poco deseables que normalmente se atribuye a la palabra residual han conducido a la industria del asfalto a preferir el empleo de la expresión "de destilación directa" que, sin embargo, es actualmente inexacta, ya que raramente se producen asfaltos del petróleo por destilación simple sin algún tratamiento posterior. Actualmente, la producción total de asfalto producido en las tres refinerías colombianas, asciende a los 5 mil barriles/día.

3. Composición química Existen infinidad de libros que tratan de explicar la composición química del cemento asfáltico. El tema ha resultado muy controvertido debido principalmente a que este material está conformado por una mezcla muy compleja de compuestos orgánicos de alto peso molecular. Es necesario tener un amplio conocimiento de la constitución

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química de los asfaltos ya que brinda una gran ayuda para poder controlar las propiedades químicas y físicas de los mismos, lo cual permite adecuarlo a la función que va a desarrollar en la vía. Al igual que el petróleo crudo, es una mezcla de numerosos hi- . drocarburos, mezclados en proporciones muy diferentes. La mayoría de estos hidrocarburos están presentes en el petróleo crudo, pero el proceso de refinación da también lugar a cambios en su estructura molecular. Como los hidrocarburos livianos se eliminan durante ese proceso, la gran mayoría de los hidrocarburos son pesados y de molécula complicada. Los hidrocarburos constituyentes de los asfaltos, pueden pertenecer a uno o varios de los siguientes grupos: • Alifáticos saturados o parafinicos • Nafténicos o cicloparafinicos • Aromáticos • Alifáticos no saturados Además del carbono e hidrógeno, constituyentes principales de los hidrocarburos, se encuentran presentes, azufre, nitrógeno, vanadio, níquel, entre otros. Estos minerales desempeñan un papel muy importante dentro del comportamiento del asfalto. Cuando se inició el programa estratégico de investigación en asfaltos SHRP (Strategic Higway Research Program), el principal problema que encontraron los investigadores fue que en las refinerías se estaban utilizando nuevos crudos, de características muy diferentes a los usados tradicionalmente para producir el asfalto, lo cual era la causa de muchos de los problemas que se presentaban en los pavimentos. De esta manera, se justifica el interés del grupo de investigación del programa SHRP en el estudio de la química del asfalto. La química del asfalto es, muy seguramente, la parte más compleja de la industria petrolera, porque se trata de una mezcla de diferentes tipos de materiales con diferentes pesos moleculares. La


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investigación en este sentido es también compleja, pues se trata de correlacionar la composición química con las propiedades físicas y su comportamiento en servicio.

Evolución histórica del modelo químico del asfalto Históricamente la estructura química del asfalto se ha descrito tomando como base su separación en fracciones a través de diversos tipos de disolventes, tales como el n-pentano, n-heptano, n-butano, entre otros. La estructura molecular del asfalto se ha considerado tradicionalmente como un coloide dado sus características de flujo no newtoniano, su elasticidad retardada, exudación de aceites, floculación de asfaltenos bajo la acción de solventes no polares, etc. Todo ello condujo inicialmente a pensar que el asfalto era un líquido micelar compuesto por dos fases, una continua o maltenos y otra discontinua o asfaltenos. La primera separación de asfaltenos del asfalto fue realizada por Boussingault en el año 1837, y de allí, el término asfaltenos, fijó el rumbo a seguir de casi todas las investigaciones realizadas en este campo, con la limitante de no poder encontrar correlaciones entre la composición química y el comportamiento bajo condiciones reales de tránsito y clima. En los siglos XIX y XX, la separación de ciertas fracciones del asfalto se realizaba utilizando la capacidad soluble de varias moléculas en distintos solventes. Después de la Segunda Guerra Mundial y con la aparición de las técnicas cromatográficas, los investigadores se dedicaron a aplicarlas al estudio del asfalto. La cromatografía por afinidad de Corbett fue uno de los procedimientos más utilizados. De igual manera, apareció en esa época el método de fraccionamiento de Rostler y Sternberg. Estos métodos están basados en teorías bien fundadas, pero sus resultados son de difícil interpretación, por la contaminación entre las distintas moléculas durante el proceso de separación. La falla de estos métodos analíticos se pone en evidencia al tratar de correlacionar sus resultados con el comportamiento observado en servicio.

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ACEITES ASP'ALTENOS RESINAS

Figura 4.1. Esquema coloidal de Pfeiffer

Teniendo presente estas limitaciones y otras detalladas en diversos trabajos, el grupo SHRP, Strategic Higway Research Program, decidió emprender una investigación a gran escala con el fin de encontrar y adopta; metodologías de ensayos químicos y físicos que permitan describir la constitución del asfalto y sus propiedades y su relación con el comportamiento en servicio.

Estructura coloidal Una disolución consiste en un disolvente y un soluto. El soluto está disperso en el disolvente molecularmente, o sea que la sustancia está dividida completamente en moléculas. Hay casos en que un cuerpo puede presentarse disperso en otro, pero no en forma molecular, sino en grupos más o menos grandes


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de moléculas. Esta dispersión se llama solución coloidal si el tamaño de los grupos de moléculas no es tan grande que se produzca su separación por precipitación o por flotación. Los grupos de moléculas en suspensión coloidal se denominan micelas (fase dispersa), y el líquido en el que están suspendidas, líquido intermicelar (fase continua). Los sistemas coloidales pueden ser de dos tipos: sistema coloidal sol y sistema coloidal gel. En los sistemas tipo sol, existe un equilibrio entre los componentes de la fase dispersa (micelas). En los sistemas coloidales tipo gel, existe unión entre las micelas, lo cual se traduce en que estas tomen posiciones fijas y por lo tanto rigidizen el sistema coloidal. El asfalto también es una mezcla de gran número de hidrocarburos de diverso carácter que son solubles unos en otros en proporciones diversas. Las moléculas al agruparse según sus características físicas, dan lugar a una estructura coloidal característica. Las moléculas más pesadas se agrupan formando micelas o fase dispersa (en suspensión) mientras que las más ligeras constituyen el líquido intermicelar o la fase continua (medio de dispersión), según se puede ver en la Figura 4.1. El petróleo es una mezcla de un sinnúmero de hidrocarburos, disueltos unos en otros, en la que probablemente se encuentran ya presentes partículas coloidales. Al eliminar por destilación los hidrocarburos más ligeros, los más pesados no pueden mantenerse en disolución y van uniéndose por adsorción a las micelas ya existentes, aumentando su volumen a medida que se extrema la destilación. Las partículas dispersas tienen un tamaño del orden de 1O a 1.000 °A (Amstrong A= 10·8 cm). En la mayor parte de los casos no existe separación entre micela y líquido intermicelar, sino que podemos imaginar el centro de la micela como el punto de máxima concentración de fase dispersante. En la Figura 4.2 se representa gráficamente esta disposición. El fenómeno anterior sería simple si

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1

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l 1

Figura 4.2. Concentración máxima de la fase dispersante

solamente el asfalto tuviera dos cuerpos en presencia; lo que realmente ocurre es que encontramos una infinidad de ellos. Para simplificar este problema se ha clasificado a los componentes del asfalto en dos grupos, a saber: los asfaltenos, formando las micelas y los maltenos, característicos de la fase continua. Los asfaltenos Se definen como los compuestos solubles que se precipitan del petróleo crudo por la adición de un mínimo de 40 volúmet;tes de n-


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pentano. Son partículas sólidas, cuyo color va desde el café oscuro hasta el negro, sin punto de fusión definido; al calentarse forman una masa viscosa que se descompone, se hincha y aglutina, dejando un residuo de carbón. Son hidrocarburos de molécula de alto peso molecular (1 03 a 105 Unidades de Masa Atómica), de carácter predominantemente aromático, y su razón C/H (número de átomos de carbono/número de átomos de hidrógeno) es aproximadamente 0,8 a 0,9. Su grado de aromaticidad aumenta con el valor de la relación C/H. Diversos estudios analíticos muestran que los asfaltenos están formados por sistemas de anillos aromáticos polinucleares, rodeados de cadenas alquílicas con un peso molecular que varía de 1.000 a 4.000 unidades de masa atómica (UMA), con estructura plana, generalmente conocida como microestructura. Estas moléculas se agrupan en capas de cinco o seis para formar un cristal o partícula con un peso molecular que varía de 4.000 a 10.000 UMA. A su vez, varios de estos cristales se agrupan para formar las llamadas micelas con peso molecular que varía de 40.000 a 40.000.000 UMA, que contiene en su interior metales como el níquel y el vanadio. A estos agrupamientos se les conoce como la macroestructura de los asfaltenos (Figura 4.3). Los asfaltenos concentran los compuestos indeseables de los asfaltos, pues contienen los metales pesados y el azufre. Es importante anotar que por la deshidrogenación de los anillos en los crudos resultan los compuestos clúster, los cuales están formados por una serie de átomos en donde cada uno de ellos se encuentra enlazado, por lo menos, con otros dos átomos de la misma clase formando un poliedro o fragmento de poliedro. El contenido de asfaltenos en un cemento asfáltico varía generalmente entre un 15% y un 20%. Por lo general, el valor no dice nada del comportamiento en servicio, pero el crudo pesado y mediano generan un producto de mayor calidad que un crudo liviano. Los maltenos Son la fracción soluble en hidrocarburos saturados de bajo punto de ebullición. Se describe como un dispersante coloid<1:l de partícu-

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CHt 1

H

CH! 1 CHa

Figura 4.3. Macroestructura de los asfaltenos

las de asfaltina disueltas en un material parecido al aceite y muy pesado. Los maltenos están constituidos por anillos aromáticos, anillos nafténicos y una muy poca cadena parafínica; generalmente existe mayor proporción de maltenos que asfaltenos. El mayor contenido del primero (maltenos) es lo que le da la calidad a un asfalto; esto quiere decir que la naturaleza química de los maltenos regula en gran parte las propiedades químicas de los asfaltos. Los maltenos se separan por métodos físicos en resinas y aceites; las resinas son más pesadas que los aceites, tienen un punto de ebullición más elevado y un carácter más aromático, presentan mayor poder de adsorción. Los maltenos también se pueden separar en diferentes fracciones con distintos puntos de ebullición. Las resinas y los aceites

Las resinas o aromáticos polares tienen un peso molecular de l. 100 UMA, con un mayor poder de adsorción y actúan como agente estabilizador de los asfaltenos.


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Los aceites, a su vez, poseen un menor poder de adsorción. Son compuestos aromáticos de nafta y componentes saturados, con un peso molecular de 700 UMA. El nivel de compuestos saturados es importante en el asfalto, ya que las ceras o parafinas se consideran como componentes no deseables en él. Un asfalto de buena calidad requiere que sus componentes químicos estén en una relación que garantice su estabilidad una vez se encuentre en servicio. Si el asfalto es tratado con un hidrocarburo saturado de bajo punto de ebullición (por ejemplo: N-Pentano), se presentará un rompimiento de la estructura coloidal, disolviéndose una parte del material, mientras que el resto precipitará en forma de partículas grumosas de color oscuro. Los cuerpos precipitados son los asfaltenos y los que quedan disueltos los maltenos; filtrando la disolución obtenida anteriormente a través de un filtro de arcilla activada, se retienen las resinas quedando los aceites en disolución. De este proceso de descomposición se concluye que los asfaltenos son los principales componentes del núcleo de las micelas, los aceites predominan en el líquido intermicelar y las resinas constituyen una fase intermedia entre núcleo y líquido intermicelar. Influencia de los componentes químicos del asfalto en sus propiedades

Los asfaltenos contienen las moléculas más pesadas del asfalto con un carácter aromático muy marcado, presentándose un descenso de esta característica en la serie resinas y aceites. Los asfaltenos están formados por hidrocarburos aromáticos con muy pocas cadenas parafinicas, mientras que en los maltenos existen principalmente hidrocarburos saturados, tanto nafténicos como parafinicos, con cierto número de anillos aromáticos, elevado en las resinas pesadas y reducido en los aceites ligeros. Los asfaltenos son los responsables de la dureza de los asfaltos. Las resinas le proporcionan sus características cementantes o aglutinantes, mientras que los aceites la consistencia necesaria para hacerlos trabajables.

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Los aceites son líquidos poco viscosos, de color claro, no adherentes, muy estables y semejantes a los aceites lubricantes. El asfalto debe gran parte de su deforrnabilidad a este componente, pues permite el desplazamiento entre rnicelas. Por su parte, las resinas son cuerpos translúcidos, sernisólidos y muy adherentes. Su adhesividad se debe al contenido de aromáticos y a los ácidos nafténicos. Los asfaltenos son intrínsecamente muy adherentes, pero al estar rodeados por una cortina de resinas no intervienen directamente en la adherencia con los materiales pétreos. Su presencia es fundamental en las propiedades mecánicas del asfalto, pues el alto poder de adsorción de las resinas, proporciona a su núcleo una alta rigidez. Las propiedades fisicas del asfalto dependen de las proporciones de asfaltenos, resinas y aceites que contiene. Un asfalto con un alto contenido de aceites, se comportará corno un fluido viscoso, ya que las rnicelas formadas por los asfaltenos rodeados de las resinas adsorbidas, flotarán en el liquido aceitoso sin tocarse. Cuando el asfalto es sometido a los efectos del calentamiento en la planta, se va presentando una reducción gradual de los aceites, hay un acercamiento entre los núcleos de los asfaltenos y la fricción originada hace que el asfalto incremente su viscosidad. Corno se puede observar, es muy importante la proporción en que intervienen cada uno de estos componentes en la consistencia del asfalto. En los cementos asfálticos normales hay un predominio de los asfaltenos y las resinas, ante un bajo contenido de los aceites. También mediante un proceso de oxidación, se pueden modificar las cantidades de estos componentes en el asfalto. Mediante este fenómeno, los aceites se convierten en resinas y éstas en asfaltenos. Los aceites protegen al asfalto de la oxidación debido a su gran estabilidad química. Lo cual hace concluir que un asfalto que tenga altos contenidos de aceites será más resistente al envejecimiento y más durable, pero será igualmente muy deformable a temperaturas ordinarias. Es necesario entonces que exista un equilibrio en esta composición, siendo lo ideal un asfalto poco deformable y durable o poco sensible al envejecimiento.

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Influencia del tipo de crudo en la composición química del asfalto

En la Figura 4.4 se muestra la influencia del crudo en cada uno de los componentes químicos de un asfalto. Se tienen tres fuentes de crudo: liviano, mediano y pesado. El contenido de asfaltenos es bajo (8%) en el crudo liviano, mientras que en el pesado es alto (19%). De igual manera el contenido de aromáticos es de 49% en el crudo liviano y más bajo en el crudo pesado (30%), mientras que el nivel de saturados es más bajo en el crudo más pesado.

El modelo desarrollado por SHRP Uno de los objetivos principales del programa estratégico de investigación de asfaltos SHRP fue el de adoptar un modelo que definiera la constitUción del cernento asfáltico utilizado en los diseños experimentales. En 1987 se contrató al Westem Research Institute (WRI) en Laramie, Wyoming, Estados Unidos para realizar las investigaciones fundamentalmente en el área de la química del asfalto. El WRI utilizó el modelo micelar de Nellensteyn que fuera refinado por Pfeiffer en 1940. El modelo micelar fue el punto de A

e

48.9

100%

cSAnJRADOS

e NAFTENO-AROMATICOS

El POLAR-AROMATICOS

e ASFALTENOS

eo•c •e

VIS. VIS. 135

PEN. 25"C VIS.

eo•c RTOF

2000

2000 540

50

445 85

6109

noo

2000 352

130 8650

Figura 4.4. Influencia del tipo de crudo en la composición química del cemento asfáltico

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partida de SHRP como el único disponible en el momento de comenzar el programa y que los proveía de una razonable explicación de la estructuración química del asfalto. En dicho modelo existen dos fases: una aromática formada por asfaltenos que es una fase discreta y otra que rodea a los asfaltenos y solubiza a los mismos denominada maltenos. Las resinas contenidas en los maltenos eran intermediarias en el asfalto, cumpliendo la misión de homogeneizar y compatibilizar a los insolubles asfaltenos. Los asfaltenos y maltenos existen como islas flotando en el tercer componente del asfalto: los aceites. Las investigaciones de WRI y otros han confirmado el hecho que el modelo micelar no explicaba adecuadamente el comportamiento y las propiedades del asfalto. Como resultado de estas investigaciones el modelo fue gradualmente desplazado por el nuevo modelo que define con mayor claridad las propiedades físico-químicas del asfalto. Este nuevo modelo SHRP ha sido denominado Modelo Microestructural. Establece que el asfalto está constituido por una sola fase, mezcla de una gran cantidad de moléculas polares y no polares que forman asociaciones sueltas y redes que se hallan dispersas en el asfalto (Figura 4.5). Esta estructura se mantiene unida a través de fuerzas intermoleculares "débiles, que se forman o se rompen, o se interrumpen como respuesta a los cambios de temperatura y a la aplicación de esfuerzos. Después de haber hecho esta investigación por valor de cincuenta millones de dólares, el grupo SHRP desarrolló este modelo microestructural que describe al asfalto de manera simplista, como "espaguetis fríos nadando en salsa". El antiguo modelo consideraba partículas de asfaltenos dispersas en un fluido mientras que el nuevo concepto considera franjas o tiras de materiales de una naturaleza química similar interconectadas entre sí formando redes. El líquido en el que se suspenden estas redes es no polar y no afecta las propiedades físicas del asfalto. La asociación de estos grupos de asfaltos es la que tiene que ver con la mayoría de las propiedades físicas. El positivo y el negativo de estas fibras y cómo se atraen entre sí es lo que realmente cuenta en términos de las propiedades físicas. El estado anfotérico de las fibras ·(moléculas polares ácidas y bási~as al mismo tiempo) o sea que puede tener


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Figura 4.5. Modelo microestructural SHRP

un signo positivo en un lado y el negativo en el otro es lo que las convierte en mezclas bastante complejas, lo que obliga a los distintos métodos de caracterización química a definirse muy bien con el fin de poder interpretar sus características químicas y su relación con las propiedades fisicas. Las moléculas polares

Participan en la formación de una red de moléculas aso·ciadas, abarcando un amplio rango de tamaños y tipos. Las moléculas polares que no forman parte de la red son consideradas como no polares en este modelo. El atributo más importante de las moléculas polares es la resistencia relativa y el número de sitios polares o de unión entre moléculas, porque esto afecta directamente a la formación de la red. Las moléculas no polares

Esta porción del asfalto, que comprende entre el 60% y 70% en peso, se comporta principalmente, aunque no exclusivamente, como un líquido viscoso, y sus propiedades reológicas están controladas por su peso molecular y la distribución del mismo. Estas moléculas pueden interactuar unas con otras y también formar redes débiles. La capacidad aromática de estas moléculas es importante desde el

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punto de vista de la compatibilidad entre moléculas polares y no polares.

4. Caracterización química Los diversos métodos utilizados para la caracterización química de los cementos asfálticos, se basan en la facilidad que tienen para ser separados en un gran número de clases o grupos genéricos, usando precipitación por solventes de diferentes grados de aromaticidad y cromatografia líquida. Los diversos procedimientos para el estudio de la composición química del asfalto se pueden agrupar en las siguientes categorías: • Fraccionamiento por precipitación • Fraccionamiento por destilación • Separación cromatográfica • Análisis químico • Análisis de pesos moleculares

Método de fraccionamiento por precipitación química Es sólo un método analítico y no una separación física de los componentes del asfalto. La Figura 4.6 muestra el método desarrollado por Rostler y Stemberg, quienes identificaron y cuantificaron cinco componentes en el cemento asfáltico. Los asfaltenos, separados por precipitación con N-pentano y los maltenos tratados secuencialmente con ácido sulfúrico (H2 S04 ) para medir la cantidad de los cuatro grupos moleculares presentes en los ·maltenos. Los cinco componentes químicos cuantificados por este método son los siguientes:

101


1

ASF~LTO ] n- PE'NTANO

PRECIPITAOO

SOL.UCION

1

1A~LTENos] ACIOAFINAS 1

HaS O,.

PARAFINAS

Figura 4.6. Método de fraccionamiento Rostler y Sternberg

• Los asfaltenos. Son precipitados por el N-pentano y considerados como el "cuerpo" del asfalto. • Las bases nitrogenadas (N). Para su precipitación es necesario utilizar ácido sulfúrico al 85% y poder remover los compuestos polares nitrogenados presentes en los maltenos. • Las acidafinas L Para su precipitación se utiliza ácido sulfúrico concentrado al 98%. Se caracterizan por ser compuestos aromáticos de bajo contenido de nitrógeno. Son los solventes que peptizan los asfaltenos. • Las acidafinas 11 El ácido sulfúrico fumante es utilizado para precipitar los compuestos de menor polaridad y aromaticidad denominados acidafinas II que sirven de solvente de los asfaltenos. • Los compuestos saturados (P). Compuestos que no reaccionan con el ácido sulfúrico fumante. Son considerados como los agentes gelificadores de los asfaltos.

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Método selectivo de adsorpción-desorción Este método desarrollado por Corbett, usa el procedimiento descrito en la Figura 4. 7 para la cuantificación de cuatro grupos moleculares inalterados para la realización de futuros análisis. Los compuestos más polares y menos solubles son precipitados inicialmente con heptano, el cual es un solvente no polar. La solución de heptano con la fracción de maltenos se introduce en una columna cromatográfica. La alúmina adsorbe los tres componentes, los cuales son separados utilizando solventes de polaridad creciente. El método de Corbett separa y cuantifica los siguientes componentes: • Los asfaltenos. Precipitados por el N-heptano, actúan como la fracción que le da al asfalto la forma. Ellos son sólidos o semisólidos dependiendo de la temperatura ambiente.

1 ASFfTo

1

n-HEPTANO

1

'

l

PREClP1TAOO

MALTENOS ( PETROLENOS l ADSOROON- ELUS40N

___ t _....

1

ASFALTENOS

CRCMATOGRAFIA EN ALUMINA

SATURADOS

t------------1

NAFTENO

BENCENO

n-HEPTANO

AROMATICOS

POLAR

ARO MATICOS

METANOL~

BENCENO

TRICLOROETILENO

Figura 4.7. Método selectivo de adsorpción-desorción de Corbett


103

• Los saturados. Son la primera fracción desprendida de la columna cromatográfica por el N-heptano. Esta fracción no es adsorbida por la alúmina ya que no contiene grupos funcionales de características polares. Equivalen a las parafinas del fraccionamiento Rostler. Los saturados son líquidos a temperatura ambiente y se endurecen con el tiempo. Tienen una contribución negativa a la susceptibilidad térmica del asfalto. • Los nafteno-aromáticos. Son la segunda fracción eludida con un solvente aromático de mayor polaridad como el benceno o el tolueno. Su estructura está conformada por cadenas de anillos aromáticos y no aromáticos, con algunos heteroátomos como el oxígeno, nitrógeno y azufre. Son líquidos a temperatura ambiente y considerados como los componentes más blandos del asfalto y la fracción más susceptible de envejecer. • Los polares aromáticos. Es la última fracción que emerge de la columna al ser tratada con un solvente aromático de mayor polaridad como el tricloroetileno y una mezcla de alcohol y benceno. Comprende altos porcentajes de sistemas ~e anillos aromáticos y contienen mayor cantidad de heteroátomos que las otras fracciones de maltenos. Es sólido o semisólido a temperatura ambiente. Tiene relación con la ductilidad y el envejecimiento del cemento asfáltico.

Distribución por tamaño de las moléculas La cromatografia líquida de alta presión ha sido usada para determinar la distribución de los tamaños de las moléculas en el asfalto. Esto es análogo a la determinación de la distribución de los tamaños en un agregado pétreo. Un cromatograma con la distribución de las moléculas grandes, medianas y pequeñas es el resultado de este análisis. El procedimiento consiste en pasar una solución del asfalto a través de una columna de filtración. El sistema permite que las moléculas más grandes pasen rápidamente la columna, retardando el proceso de las más pequeñas.

104


Un sistema electrónico permite detectar y cuantificar la cantidad de moléculas para la definición del cromatograma. Jennings ha clasificado las moléculas eludidas durante el primer tercio del período de elusión como moléculas grandes (LMS), las eludidas durante el segundo tercio como moléculas de tamaño medio (MMS) y las eludidas en el último tercio del período como moléculas pequeñas (SMS). En la Figura 4.8 se muestran los cromatogramas obtenidos de dos asfaltos. La distribución de tamaños moleculares es diferente en ambos, por lo que se espera un comportamiento en servicio diferente. Jennings, comparó los tamaños relativos de las moléculas en asfaltos recuperados de pavimentos que tuvieron un mal y un buen comportamiento. Los resultados obtenidos indican que altas cantidades de LMS son asociadas con un comportamiento pobre. Esto es posible ya que es conveniente un equilibrio entre los tamaños de las moléculas, con el fin de tener una buena durabilidad en el asfalto. Trabajos recientes de SHRP, muestran que las moléculas de tamaño molecular LMS, está conformada en su mayor parte de un

--ASFALTO A

-

-t~SF'ALTO

o

8

zo

Figura 4.8. Cromatograma típico de los cementos asfálticos


105

conglomerado de moléculas altamente asociadas. Esta técnica es muy utilizada para el estudio de las propiedades reológicas de los asfaltos y su relación con su comportamiento en servicio.

Investigación SHRP de la química del cemento asfáltico El grupo SHRP utiliza la técnica analítica de análisis químico, para el estudio de la química de los asfaltos. La cromatografía de exclusión de tamaños (SEC) fue utilizada para aislar dos fracciones del asfalto denominadas SEC l y SEC II. La fracción SEC l contenía las moléculas asociadas, mientras que la SEC II contenía las moléculas solventes. Análisis posteriores permitieron afirmar que la mayoría de los compuestos polares se encuentran en la fracción SEC I, mientras que las no polares están presentes en la fracción SEC II. La cromatografia de intercambio iónico (lEC) fue utilizada por el grupo SHRP para estudiar la interacción molecular en los asfaltos. En este método, el asfalto es disuelto en un solvente y se pasa a través de una serie de resinas de intercambio iónico. Las resinas, ácidas y básicas sucesivamente, son utilizadas para atraer las moléculas polares de acuerdo con su grado de acidez. Por su parte, las moléculas no polares son separadas como una fracción independiente. De esta manera el lEC ha permitido separar las moléculas del asfalto basado en sus características polares, de gran importancia en el comportamiento delligante en servicio. La técnica analítica lEC fue también utilizada para separar la fracción denominada anfotérica. Se cree que esta fracción sea la llave para entrar al particular mundo de los asfaltos. El término anfotérico es usado para describir una molécula del asfalto que tiene ambas características: ácidas y básicas. Aunque este tipo de moléculas constituye el 10% ó 15%, es el responsable de las características viscoelásticas según los estudios realizados por el grupo de investigación SHRP. Como se observa, la química del asfalto es muy compleja y

106


seguirá siendo un tema interesante de estudiar en el futuro tal como lo ha sido en el pasado, ya que sobre el no se ha dicho la última palabra. En la tabla 4.1 se muestran algunas características físicas de los principales componentes químicos de los asfaltos. Tabla 4.1. Propiedades físicas de los principales grupos genéricos de los asfaltos

FRACC!ON

CARACTERISTICA

COLOR

PESO MOLECULAR

PROMEDIO (UMA)

ASFALTE NOS

SOLIDO

NEGRO

3.500

RESINAS (POLARES

SEMI-SOUOO

NEGRO

1100

MALTENO AROMATICO

liQUIDO

AMARILLO-ROJO

700

SATURADOS

LIQUIDO

CLARO

600

AROMATlCOS)

5. Caracterización de los asfaltos colombianos Como se trató anteriormente, la composición química de los cementos asfálticos es muy compleja pues están conformados por hidrocarburos de peso molecular variable. Los asfaltos que se producen en Colombia por la empresa estatal Ecopetrol fueron evaluados utilizando técnicas analíticas como SARA, mediante la cual fue posible determinar los grupos de hidrocarburos típicos tales como saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos. De igual manera, se utilizó el método de fraccionamiento de Rostler y Stemberg y el método de resonancia magnética nuclear. En las tablas 4.2, 4.3 y 4.4 se pueden observar los resultados obtenidos al aplicar estas técnicas de análisis químico a los asfaltos producidos en las refinerías del país.

107


Tabla 4.2. Resultados del análisis SARA a los cementos asfálticos colombianos

CEMENTO ASFALTIC O

COMPUESTO B/BERMEJA

CARTAGENA

APlAY

SATURADOS

23,85

25.37

21,67

AROMATICOS

'!/L71

25,67

26.76

RESINAS

31.88

36.32

30A7

ASFALTENOS

10.83

12.64

21,10

Tabla 4.3. Resultados del análisis de resonancia magnética a los cementos asfálticos colombianos

CEMENTO ASFALTICO

COMPUESTO B!BERMEJA

CARTAGENA

APIAV

PA.AAFINICOS

35.3

36.5

35,7

NAFTEN!COS

35,4

35.8

35.6

AHOfi.1ATICOS

29,3

?.7.7

27J

Tabla 4.4. Resultados del análisis Rostler y Sternberg a los cementos asfálticos colombianos

COMPUESTO

CEMENTO ASFALT1CO 6/SERMEJA

CARTAGENA

APIAY

35,2

28,5

20.0

ACIOAF1NAS 1

9.6

Hl.O

13.0

ACIDAFINAS 11

27 ,¡

29.0

26,0

SATURADOS

14.6

69

15,5

BASES NITROGENADAS

108


6. Caracterización física Los ensayos utilizados para determinar las propiedades físicas de los cementos asfálticos se pueden agrupar en cinco categorías: • Ensayos para medir la consistencia • Ensayos de durabilidad • Ensayos de pureza • Ensayos de seguridad • Otros ensayos

Ensayos para medir la consistencia de los cementos asfálticos La consistencia se define como el grado de fluidez que tiene un asfalto a una determinada temperatura. El asfalto es un material termoplástico, por lo que su consistencia varía en mayor o menor grado con la temperatura. Si se quiere realizar comparaciones entre ellos, es necesario medir su consistencia a una misma temperatura e igual condición de carga. Los ensayos más utilizados para medir la consistencia de los cementos asfálticos son los siguientes: La viscosidad

Una de las propiedades que más interesan desde el punto de vista ingenieril es la viscosidad de los asfaltos. La viscosidad se define como la resistencia que ofrece un fluido a la deformación, debida básicamente al rozamiento interno de las moléculas. Cuanto más elevada sea su viscosidad, mucho más lento será su movimiento. Si se llena con un líquido el espacio comprendido entre dos placas paralelas, una de las cuales permanece :fija y la otra móvil, y se mueve respecto a la otra, la única resistencia que se opone al desplazamiento de esa placa es la que el fluido opone al deformarse. Cuando un fluido se somete a la acción de una fuerza, se deforma

109


y fluye, pero sólo una parte de la energía aplicada se transforma en energía cinética, ya que una fracción más o menos notable se disipa en forma de frotamientos internos generadores de energía calorífica. Se dice que el fluido es más o menos viscoso, según que esta fracción seamás o menos grande. Con flujo laminar y líquido viscoso simple, esta fuerza es proporcional a la superficie de las placas y a la velocidad relativa del movimiento entre ambas e inversamente proporcional a la distancia existente entre ellas. En la Figura 4.9 se representa esquemáticamente el dispositivo descrito, (Newton, en 1729, fue el primero en definir cuantitativamente el concepto de viscosidad). Si se representa la fuerza resistente por F, la superficie de las placas por A, la velocidad relativa por V y la distancia entre las placas por y, se tiene que F es proporcional a AV/y, siendo el coeficiente de proporcionalidad el factor 11 denominado coeficiente de viscosidad o coeficiente de frotamiento interno o viscosidad, el cual se define mediante la expresión: F

=

11 A V/y

11 es "la fuerza necesaria, por unidad de superficie, para mantener la unidad de diferencia de velocidad entre dos planos paralelos

SUffiF!aE (A)

---

ESEB:RIE. llQ.JIIX>(y)

Figura 4.9. Definición simplificada de la viscosidad

110


separados por la unidad de distancia". Su inversa se llama fluidez. Al incremento de velocidad dv, de un plano con respecto a otro, situado a distancia dy, medida perpendicularmente a la dirección de la velocidad dv/dy=D, se le conoce como gradiente de velocidad que desde el punto de vista geométrico, puede ser identificada con la velocidad de deformación angular o simplemente, con la velocidad de deformación. Como la tensión cortante tes igual a la relación F/A, se obtiene:

Por definición, se denomina a 11 viscosidad dinámica o absoluta. Si se utilizan como unidades el centímetro, el gramo y el segundo (CGS), la unidad de viscosidad es el Poise, esto es, si para un líquido en particular el valor de 11 es de 300, se dice que el líquido tiene una viscosidad absoluta o dinámica de 300 poises. Muchas veces se utiliza la viscosidad cinemática definida como la relación entre la viscosidad dinámica 11 y su peso específico. La unidad de viscosidad cinemática en el sistema CGS, es el stoke. Se emplea también el centistoke, equivalente a la centésima parte del stoke. Las viscosidades que se encuentran en los cementos asfálticos varían desde el orden de unos pocos centipoises (centésima parte del Poise) a elevadas temperaturas, a 10 10 poises o más a bajas temperaturas, en las que se produce la rotura frágil. La viscosidad dinámica se mide en aparatos que se basan en el principio fundamental antes estudiado de las dos láminas metálicas, entre las que se interpone una capa del fluido a estudiar. El prototipo de equipo que aplica esta teoría es el microviscosímetro de placas deslizantes (Figura 4.1 0), el cual fue utilizado hace algunos años para estudiar la viscosidad a baja temperatura de los asfaltos. Consta de dos láminas de vidrio entre las cuales se coloca el material en estudio en una lámina de espesor conocido. Una de las láminas se fija verticalmente al fondo de un baño termostático y la otra se carga mediante un dispositivo que permite medir con gran


111

+---_..,¡.....~··· Placa O.~ tJ·i~.,L-.--""'""'"' ··-·--·~·~ ~

Figura 4.10. Microviscosímetro de placas deslizantes

precisión los desplazamientos de la lámina móvil bajo los efectos de la fuerza aplicada. Este aparato se ha utilizado para medir viscosidades que varían entre 1O y 10 11 poises; como el método utiliza muestras de asfalto muy delgadas, es considerado de gran interés en el estudio del envejecimiento de películas delgadas. La viscosidad se determina generalmente a dos temperaturas: 60°C y 135°C. Actualmente existen equipos que permiten su determinación a cualquier temperatura ya sea de servicio o de operación.

Medida de la viscosidad absoluta a 140°F (60°C). El viscosímetro capilar es también muy utilizado para determinar la viscosidad a la temperatura de 60°C. Esta temperatura fue seleccionada porque se considera como la más alta que puede tener en

112


su superficie una mezcla asfáltica en servicio durante el mes de verano en los Estados Unidos. Los viscosímetros más utilizados actualmente son: el viscosímetro de vacío Cannon-Manning y el viscosímetro del Instituto del Asfalto (Figuras 4.11 y 4.12). La norma ASTM D-2171 describe el procedimiento de ensayo para determinar la viscosidad. El viscosímetro es colocado en un baño de agua o aceite provisto de un controlador de temperatura y se deja el tiempo necesario para que obtenga la temperatura de ensayo. Posteriormente se aplica vacío con el fin de que el asfalto comience a fluir de un lado al otro. El tiempo en segundos que tarda en fluir el cemento asfáltico de una marca a otra multiplicado por la constante de calibración proporcionada por el fabricante es su viscosidad en poises.

Figura 4.11. Sistema para medir la viscosidad a 60°C


113

L

MARCAS PARA REGULACION DEl. TIEMPO

Figura 4.12. Viscosímetro Capilar

Cuando ensayamos un material, tal como un cemento asfáltico de viscosidad desconocida, el esfuerzo cortante aplicado es el mismo que cuando se calibró el equipo, lo que varía es la velocidad de deformación, la cual es inversamente proporcional al tiempo requerido para pasar el líquido a través del tubo. La siguiente relación puede usarse para determinar la viscosidad:

o:

En donde: V1

:

viscosidad del material estándar

T1

:

tiempo que tarda el material estándar en pasar por el tubo

V2

:

viscosidad del material a ensayar

T2

:

tiempo que tarda el material a ensayar en pasar por el tubo

V/T 1

:

factor de calibración del tubo

114


Medida de la viscosidad cinemática a 275°F (135°C). La norma ASTM D2170 es utilizada para medir la viscosidad de los cementos asfálticos a 135°C, usando el viscosímetro Zeitfuchs CrossArm. A esta temperatura el cemento asfáltico es suficientemente fluido para desplazarse por el tubo capilar bajo la acción de la gravedad y no es necesario aplicar vacío. La temperatura de 135°C ha sido seleccionada porque es la temperatura media de mezclado utilizada en la planta para la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente. La unidad de medida es el centistokes ya que la fuerza de la gravedad induce al flujo y la densidad del material afecta la velocidad del fluir. La viscosidad absoluta se obtiene de multiplicar la viscosidad cinemática por el peso específico del cemento asfáltico, tal como se muestra en el siguiente ejemplo: dada la viscosidad cinemática de un cemento asfáltico de 889 centistokes (8,89 stokes) a una determinada temperatura y su peso específico de 1.030, su viscosidad absoluta será 8,89 x 1.030 igual a 9,16 poises. Medida de la viscosidad Saybolt Furol. Para medir la viscosidad del cemento asfáltico a temperaturas altas de mezclado (alrededor de 135°C), es común utilizar el viscosímetro Saybolt equipado con un orificio Furol. El ensayo consiste en colocar un determinado volumen de cemento asfáltico en un tubo normalizado y cerrado con un tapón, que se calienta usando el aceite del baño termostático del viscosímetro. Después de que el asfalto alcanza la temperatura requerida, se saca el tapón y se mide el tiempo en segundos que tarda en fluir 60 ml del material a través del orificio furol. Los valores se expresan en segundos Saybolt furol (SSF). Ver la Figura 4.13. La penetración

Es un ensayo empírico usado para medir la consistencia del cemento asfáltico a temperaturas medias de servicio. Usualmente se mide a 25°C (77°F), considerada como la temperatura media en servicio de la mezcla asfáltica. El ensayo consiste en calentar una muestra de asfalto a 25°C (o a una temperatura definida con anterioridad) en un baño de agua controlada termostáticamente. Una aguja normalizada de 100 g se hace penetrar en la superficie de la muestra durante un tiempo de 5

115


PRINCIPIO

FIN

Figura 4.13. Viscosímetro Saybolt Furol

segundos. La penetración se mide como la distancia en décimas de milímetro que la aguja penetra el cemento asfáltico durante un tiempo de 5 segundos (Figura 4.14). Por ejemplo, si fue necesario penetrar 8 mm, la penetración del cemento asfáltico es de 80. La penetración es un ensayo normalizado según la norma ASTM D-5. El ensayo se puede realizar a otras temperaturas, tales como O, 4 y 46°C, aunque la carga o el tiempo de penetración pueden variar. A bajas temperaturas se utiliza un peso de 200 g y un tiempo de 60 segundos.

116


Figura 4.14. Ensayo de penetración

El punto de ablandamiento

Se mide a través del ensayo de anillo y bola (ring and hall) de acuerdo con la norma ASTM D-36. Se define como la temperatura a la cual el asfalto no puede soportar una carga de una bola de acero y comienza a fluir. Todos los asfaltos son materiales termoplásticos, por lo que no es posible hablar de un punto de fusión en el término estricto de la palabra. Se ha definido por conveniencia, un punto de ablandamiento convencional, dado por la temperatura a la que alcanza un determinado estado de fluidez. Se determina colocando en un recipiente con agua, a una determinada altura sobre el fondo, un anillo de latón de dimensiones establecidas, el cual se rellena previamente con el asfalto fundido y se deja enfriar a temperatura ambiente durante cuatro horas. Transcurrido ese tiempo se coloca una esfera de 9,51 mm de diámetro, y se calienta el baño, de tal manera que la temperatura del agua suba a velocidad constante. Debido al calor, el asfalto se ablanda y la esfera desciende gradualmente envuelta en una bolsa de asfalto hasta tocar el fondo del baño. La temperatura del baño en ese instante es lo que se denomina el punto de ablandamiento de anillo y bola del cemento asfáltico ensayado. (Ver Figura 4.15).


1

J

117

1

l

Figura 4.15. Punto de ablandamiento anillo y bola

El punto de ablandamiento es utilizado para clasificar los cementos asfálticos especialmente en Europa. En los Estados Unidos se utiliza para medir la consistencia de los asfaltos usados como impermeabilizantes comerciales. El ensayo de ductilidad

Una propiedad que tienen los cementos asfálticos es su gran capacidad para mantenerse coherentes bajo las grandes deformaciones inducidas por el tránsito. Muchos tecnólogos del asfalto la consideran de gran importancia en la durabilidad del asfalto una vez colocado en servicio. La ductilidad se mide según la norma ASTM D-113, en un equipo denominado ductilómetro. En el ensayo se mide la resistencia a la ruptura por medio del alargamiento de una probeta de cemento

118


asfáltico, estirada en sus extremos a velocidad constante. Normalmente el ensayo se realiza a una temperatura de 25°C y a una velocidad de alargamiento de 5 cm/mto (Figura 4.16). Algunas veces se utilizan las temperaturas de 16°C y 4°C y una velocidad de deformación de 1 cm/mto. Los asfaltos que poseen alta ductilidad son más adherentes que aquellos que tienen en menor grado esta característica, pero pueden variar su consistencia más rápidamente al cambiar la temperatura (más susceptibles térmicamente).

Ensayos de durabilidad Los cementos asfálticos sufren un mayor o menor grado de envejecimiento cuando son mezclados con los agregados en una planta asfáltica en caliente. El envejecimiento continúa durante toda la vida del pavimento por la acción del medio ambiente y otros factores que se discutirán más adelante. Los siguientes ensayos son

Figura 4.16. Medida de la ductilidad


119

utilizados para medir de manera más o menos aproximada el envejecimiento de un cemento asfáltico. El ensayo de película delgada (TFO)

El método es descrito en la norma ASTM D-1754 y se utiliza para simular en el laboratorio las condiciones que producen un aumento de la consistencia del asfalto durante las operaciones de mezclado en planta, lo cual significa poder medir el envejecimiento del cemento asfáltico durante esa operación. El ensayo consiste en colocar una película de asfalto de 3 mm de espesor en una cacerola y en un horno giratorio que se encuentra a una temperatura de 163 oc durante un tiempo de 5 horas. El asfalto envejecido se somete a los ensayos de penetración, viscosidad o punto de ablandamiento, con el fin de calcular el porcentaje de pérdida o ganancia de peso, penetración retenida, aumento del punto de ablandamiento y el incremento de la viscosidad o relación de envejecimiento (ver Figura 4.17).

Figura 4.17. Ensayo al horno en película delgada

120


U na variación del ensayo de película delgada, actualmente muy utilizado en los Estados Unidos, es el ensayo Rolling Thin Film Oven (RTOF) o película fina rotativa (Figura 4.18) descrito en la norma ASTM D-2872. El cemento asfáltico se coloca dentro de un recipiente cilíndrico sobre una superficie que gira alrededor de un eje horizontal, manteniéndose una temperatura constante de 163 oc y sometida de manera continua a la acción del aire. El grado de envejecimiento que se produce es similar al logrado con el ensayo de película delgada pero en un tiempo menor (sólo 75 minutos). Una ventaja adicional es la de poder ensayar un mayor número de muestras y obtener mayor cantidad de cemento asfáltico para la realización de los ensayos de caracterización delligante envejecido.

Ensayos de pureza Los cementos asfálticos están constituidos casi siempre por bitumen puro, el cual por definición es completamente soluble en disulfuro de carbono. Sólo un porcentaje muy pequeño de impurezas está presente en el cemento asfáltico obtenido de refinería. Para determinar el grado de pureza del cemento asfáltico se utiliza el ensayo de solubilidad definido por la norma ASTM D-2042. Los maltenos, los constituyentes cementantes (resinas) y los asfaltenos, son solubles en disulfuro de carbono, tricloroetileno, tetracloruro de carbo-

Figura 4.18. Ensayo de película fina rotativa (RTOF)


121

no y otros solventes orgánicos de bajo punto de ebullición, mientras que la materia inerte (no cementante) como sales, carbón libre o impurezas orgánicas son insolubles en estos solventes. Una muestra de cemento asfáltico de peso conocido es disuelto en tricloroetileno y se pasa a través de un goosh con asbesto. El material retenido en el filtro se lava varias veces y la parte insoluble constituye las impurezas del cemento asfáltico. Las especificaciones por lo general exigen un mínimo de 99% de solubilidad en tricloroetileno (ver Figura 4 .19).

Ensayos de seguridad Si el cemento asfáltico es calentado a temperaturas altas, se producen vapores que en presencia de alguna chispa se pueden incendiar.

\rd' \'~'·

A. DISOLVERMATERJAI.ASFALTICO EN EL DISOLVffio
'·····•·<·'/···.·. ·. )\/

lllllllllllllll B. FILTRAR

C. PESARRESIDUO

Figura 4.19. Ensayo de solubilidad

122


El punto de inflamación o punto de chispa o Flash Point es la temperatura a la cual el cemento asfáltico puede ser calentado sin peligro de incendio en presencia de una chispa. Esta temperatura es más baja que la correspondiente al punto de llama, la cual es la temperatura a la cual el asfalto se enciende. Aunque el flash point es mucho más alto que la temperatura de manejo del cemento asfáltico en una planta, es necesario conocerla y controlarla por razones de seguridad, ya que es muy posible que el producto sufra alguna contaminación durante el transporte de la refinería a la obra, lo cual produce un descenso en la temperatura correspondiente al flash point (por ejemplo un carrotanque mal lavado con residuos de gasóleo, gasolina u otro solvente liviano). El método de la copa Cleveland (ASTM D-92) es utilizado para determinar el punto flash. La copa de bronce se llena con un volumen especificado de cemento :;tsfáltico y se calienta a una velocidad prefijada. Se pasa sobre la superficie del asfalto una llama auxiliar a intervalos de tiempo definidos. La temperatura a la cual el asfalto libera suficientes vapores para producir chispa o destellos instantáneos al paso de una pequeña llama, se define como el punto de inflamación o punto flash (Figura 4.20).

Otros ensayos El peso específico

Se define como la relación entre la masa del material a una temperatura dada y la masa de igual volumen de agua a la misma temperatura. El peso específico cambia cuando el asfalto se expande por calentamiento. La determinación del peso específico del cemento asfáltico a diversas temperaturas es de gran interés práctico por sus numerosas aplicaciones en las que es preciso emplear una cantidad determinada del material caliente, siendo más fácil medir volúmenes que pesos. El peso específico del cemento asfáltico varía según su origen y proceso de obtención, manteniéndose siempre sensiblemente igual


123

TEMPERATURA A QUE OCURREN lAS PRIMERAS CHISPAS AZULES"' PUNTOS DF INFLAMACION '\':"

CHISPAS AlUL!:S

FLAMA DE PRUEBA PASADA SOBRE. lA COPA EN UN SSGUNOO

-+-...._ <:>c::::=:J .. ·. .

MATERIAl ASFALTICO

Figura 4.20. Ensayo para determinar el punto de llama

a la unidad. En asfaltos del mismo origen, el peso específico aumenta cuando la penetración disminuye. El método del picnómetro (ASTM D-70) es el más utilizado para su determinación. Generalmente se expresa en términos de peso específico a una temperatura dada para ambos materiales: agua y cemento asfáltico. Un peso específico de 1.030 a 25°C/°C significa que el cemento asfáltico tiene un peso específico de 1.030 cuando el agua y el cemento asfáltico están a una temperatura de 25°C. La fragilidad

Se denomina fragilidad de un cemento asfáltico a su propiedad de romperse ante la aplicación de determinados esfuerzos. Todos los cementos asfálticos son frágiles en mayor o menor grado. La rotura puede ocurrir de dos formas: • Rotura sin deformación plástica apreciable, que se produce tan

124


pronto como la tensión que actúa sobre el material alcanza un valor determinado. • La rotura plástica que se produce cuando se impone a un cuerpo plástico una velocidad de deformación superior a un valor determinado. Para valores menores, el asfalto se deforma hasta alcanzar su límite de ductilidad. La rotura de un cemento asfáltico puede producirse de cualquiera de la~ dos formas, según sea su tipo reológico y las condiciones a que está sometido. Su fragilidad depende fundamentalmente de la velocidad de deformación y de la temperatura. Por otra parte, la velocidad de deformación es función de la magnitud de la tensión aplicada y de la viscosidad. El estudio de la fragilidad es muy complicado y sólo existen ensayos empíricos que permiten obtener una idea aproximada del comportamiento de cada tipo de cemento asfáltico en este aspecto. El ensayo más utilizado es el de Fraass, que consiste en extender una capa de cemento asfáltico de medio milímetro de espesor sobre una lámina de acero que se coloca en un aparato, sumergido en un baño que permite bajar la temperatura a razón de 1oc por minuto (Figura 4.21 ). Se empieza el ensayo a una temperatura superior en 1ooc al punto de rotura hipotético, y se hace girar la manivela de forma que la placa de acero se doble

oJ1oHo 1 ollort Fle¡. de ~•nJ-

Cojo O. ·"'"_,.,_

Figura 4.21. Ensayo para determinar el punto Fraass


125

en proporciones fijas. Se denomina punto de fragilidad Fraass, la temperatura a la cual se producen grietas en la película de asfalto. Este ensayo tiene el problema de la alta dispersión de los resultados, por lo cual no es muy significativo. Ensayo de la mancha

Mediante esta prueba, es posible detectar reordenamientos moleculares producidos por la acción de altas temperaturas, la cual afecta a algunos hidrocarburos en el asfalto, produciéndose sustancias insolubles en n-heptano. Las altas temperaturas pueden haberse presentado durante el proceso de refinación o mezclado en planta dando como resultado un crackeo molecular. El cemento asfáltico obtenido es mas susceptible a la acción de la temperatura y clima (Figura 4.22). El ensayo desarrollado por el químico Oliensis, consiste en colocar una gota de disolución de asfalto y heptano sobre un papel filtro observándose la mancha que deja. Si la gota deja una mancha circular café con un núcleo oscuro se informa como positiva; si forma una mancha circular uniforme se informa como negativa. Para cuantificar el grado de alteración del asfalto si la prueba da

1 0.2 mi Solvente nonnalizado

@ Agitador de vidrio

Papel filtro

Mancha

@) Mancha positiva

Figura 4.22. Ensayo de Oliensis

126


positiva, se va reemplazando al heptano por xileno hasta que la mancha desaparece. En algunos países se ha adoptado como valores máximos de xileno para cementos asfálticos el 35% en volumen, valores mayores indican una posible alteración del asfalto por efectos térmicos.

7. Características físicas de los asfaltos colombianos En Colombia se dispone de tres cementos asfálticos para la elaboración de mezclas asfálticas en caliente para construir bases asfálticas o capas de rodadura en los pavimentos flexibles. Como se dijo anteriormente, el cemento asfáltico es producido por Ecopetrol en las refinerías de Cartagena (Mamonal), Barrancabermeja (Centro) y la planta de asfalto de Apiay en el departamento del Meta.

Cemento asfáltico de Cartagena Es el producto de una mezcla de los fondos de vacío con gasóleo, en una proporción tal que permita obtener un producto que cumpla con las especificaciones exigidas en cuanto a penetración, punto de ablandamiento y punto de chispa. En la Tabla 4.5 se pueden observar las principales propiedades físicas promedias de este asfalto.

Cemento asfáltico de Barrancabermeja Proviene de la mezcla de los fondos de vacío de base nafténica y base intermedia. Para ajustar la penetración, punto de ablandamiento y punto de chispa se le adicionan distintas cantidades de gasóleo provenientes de los mismos crudos. En la Tabla 4.6 se pueden observar las características físicas promedias de este cemento asfáltico.

127


Cemento asfáltico de la planta de Apiay Se produce mezclando los crudos Castilla y Apiay en proporción 65% y 35% respectivamente. Esta proporción fue obtenida de evaluaciones realizadas por Ecopetrol y la Universidad del Cauca, buscando ofrecer a la ingeniería de los pavimentos un producto acorde a sus necesidades técnicas. En la Tabla 4. 7 se pueden observar sus principales características físicas promedias. Tabla 4.5. Propiedades fisicas del asfalto de la refinería de Cartagena

NORMA ASTMINLT

ENSAYO

VALOR , PROMEDIO

PESO ESPEClFICO A zs•C/25

·e

PENETRACIÓN A 25 ~e, 1000 Y 5 Seg, 0,1 mm PUNTO DE CHISPA,

•e

DUCTIUDAO A 25 "C. cm. PUNTO DE. ABLANDAMIENTO,

•e

VISCOSIDAD SAYBOLT FUROLA 135 VISCOSIDAD ABSOLUTA A 50

•c. cSt

•e, Poise

EQUIVALENTE XILENO-HEPTANO

D 70/NLT-122

1 006

D 5/NLT-124

68

D 92/NLT-136

246

D 113/NLT-12$

+100

D 36/NLT-125

47

D 88/NLT-133

250

D2171

uoo

Nl T-135

15-ZO

EFECTO DEL MEZCLADO EN PLANTA ENSAYO AL HORNO EN PELICULA DELGADA PENETRACióN A 25

•e, 1000 Y 5 Seg

0.1 mm

PUNTO DE ABLANDAMIENTO, •e VISCOSIDAD ABSOLUTA A 00 PÉRDIDA DE MASA,%

•c.

45 55

Poise

3769 0.965

128

Rugo León Arenas Lozano Tabla 4.6. Propiedades fisicas del asfalto de la refinería de Barrancabermeja

ENSAYO

NORMAASTMJNLT

PESO ESPECIFICO A 25"CI25

•e

PENETRACIÓN A 25 ·c. 1OOG Y 5 PUNTO DE CHISPA,

seg. O, 1 mm

•e

DUCTlLIDAD A 25 ·c. cm. PUNTO DE ABLANDAMIENTO. •e VISCOSIDAD SAYBOLT FUROL A 135 ~c. eS! VISCOSIDADABSOLUTAA60 "C. Poise EQUIVALENTE. XILENO.HEPTANO

D 10/NLT-122 D 51NLT~124 O 92/NLT-136 O 113/NLT-126 D 36/NLT-125 D 88/NLT-133 o 2171 NLT-135

VALOR PROMEDIO

0.998

76 320 +100 47,7

342 1.810 5-10

EFECTO DEL MEZCLADO EN PLANTA ENSAYO AL HORNO EN PELICULA DELGADA PENETRACIÓN A 25

·c. tOOG Y 5 seg. O, 1 mm

49

PUNTO DE ABLANDAMIENTO, 'C VISCOSIDAD ABSOLUTA A 60

•c.

51.8 2.290 0.195

Potse

PÉRDIDA DE MASA,%

Tabla 4.7. Propiedades fisicas del asfalto de la planta de Apiay

ENSAYO

NORMAASTM/NLT

PESO ESPECIFICO A 25•Ct25 •e PENETR.,~CióN A 25 •c. 1000 Y 5 Seg. 0,1 mm PUNTO DE CHISPA. •e DUCTILIDAD A 25 •c. cm PUNTO DE ABLANDAMIENTO, •e VISCOSIDAD SAYBOlT FUROLA 135 •c. cSI VISCOSIDAD ABSOLUTA A 60 •c. Poise EQUIVALENTE XILENQ.HEPTANO

O 70/NLT-122 D 5/NLT-124 O 92/NLT-1:36 D 113/NLT-126 O 36/NLT~12S

VALOR PROMEDIO

1,028

70 237 +100

48

D 2171

300 1.800

NLT-135

25·30

D 68/NLT-133

EFECTO OEL MEZCLADO EN PLANTA ENSAYO AL HORNO EN PELICULA DELGADA PENETRACIÓN A 25 'C, 100G Y 5 Seg 0.1 mm

42

PUNTO DE ABLANDAMIENTO, ·e VISCOSIDAD ABSOLUTA A 60 •e, Poise

57,7 5.500 0,25

PÉRDIDA DE MASA,%


129

8. Propiedades reológicas y comportamiento en servicio La reología es la rama de la Mecánica que estudia el comportamiento de la materia a través del tiempo de aplicación de una carga, mediante el estudio de propiedades de flujo y deformación como la viscosidad, la ductilidad, la fragilidad, entre otras, permitiendo establecer una relación entre el estado coloidal de los cementos asfálticos y su composición química. Cualquier material sometido a un esfuerzo cortante suficientemente grande es capaz de deformarse y fluir. Mientras la mecánica racional considera los cuerpos como elementos indeformables y la mecánica elástica los asimila a sólidos perfectamente elásticos, consecuente con la ley de Hoocke, la reología trata el caso más general en que las deformaciones producidas por un agente exterior o por un proceso intrínseco aparecen íntimamente ligadas al factor tiempo. La estructura coloidal de los ligantes asfálticos hace bastante complicado el estudio de sus propiedades reológicas, que se dificulta aún más por su acentuado carácter termoplástico. Este carácter, es decir, su propiedad de ablandarse y hacerse deformable por efecto del calor, recuperando al enfriarse sus propiedades primitivas, ha hecho posible el empleo del cemento asfáltico como ligante desde la más remota antigüedad, pero es también lo que más complica el estudio de sus propiedades reológicas, pues todas deben estudiarse como funciones de la temperatura, representadas por curvas más o menos complicadas. Si se hacen variar los valores de F o 't, los valores obtenidos para dv/dy (D) son proporcionales a los de F. Los valores correspondientes de dv/dy y F llevados a una gráfica cartesiana dan puntos que se sitúan en línea recta (Figura 4.23). A los fluidos en los que existe una proporcionalidad entre la tensión cortante y la velocidad de deformación se les denomina Newtonianos o de fluir simple. El flujo de este tipo es conocido como flujo viscoso o flujo lineal y la gráfica obtenida se denomina curva de flujo o curva de consistencia. En los materiales Newtonianos, la viscosidad (11) caracteriza

130


F

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Figura 4.23. Curva de flujo de un cemento asfáltico

completamente al fluir, ya que ésta es independiente de la fuerza aplicada y de la velocidad de deformación. Una propiedad característica de los cementos asfálticos de flujo newtoniano es que cuando la tensión cortante se multiplica por un factor A, la velocidad de deformación cortante se multiplica exactamente por el mismo factor. No obstante, existen muchos materiales de interés técnico, llamados, en general, no Newtonianos, que por no ser verdaderos fluidos, muestran viscosidades anómalas. Las leyes de deformación de dichos materiales son intermedias entre las aplicables a los líquidos newtonianos y a los sólidos. Las curvas de consistencia de los mismos presentan formas mucho más complejas, apartándose de las rectas que caracterizan a los líquidos normales, lo cual significa que el valor de la viscosidad no es una constante, sino que varía con la intensida4 de la fuerza aplicada o con la velocidad de deformación.

131


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Figura 4.24. Variación de la velocidad de deformación para diferentes tipos de cemento asfáltico

Curvas de flujo de los cementos asfálticos El diagrama velocidad de flujo-fuerza de corte sólo indica si el material es o no newtoniano. Es necesario por lo tanto, realizar otras determinaciones que complementen la información anterior y poder así conocer exactamente el tipo de flujo no newtoniano. Una de ellas es dibujar las curvas desplazamiento vs. tiempo y velocidad vs. tiempo, manteniendo constante la fuerza aplicada. En la Figura 4.24 se muestran las curvas velocidad vs. tiempo para diferentes tipos de cemento asfáltico.

• Cemento asfáltico tipo l. La velocidad de deformación es constante y proporcional a la fuerza (o tensión cortante) aplicada. Son los denominados cementos asfálticos newtonianos. • Cemento asfáltico tipo 2. En estos, la velocidad de deformación disminuye inicialmente después de la aplicación de la carga hasta hacerse sensiblemente constante en un valor proporcional a la carga aplicada. Son características de los cementos asfálticos viscoelásticos. • Cemento asfáltico tipo 3. La velocidad de deformación disminuye inicialmente, pasando por un mínimo y, dependiendo de la fuerza aplicada, puede llegar a crecer indefinidamente o a detenerse en una situación de equilibrio. Son características de los cementos asfálticos tixotrópicos.

132

Rugo León Arenas Lozano ASFAI.TO nPO 1

ASFA1.10 nPO 2

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Figura 4.25. Variación de la deformación con el tiempo de aplicación de carga

En la Figura 4.25 se representan las curvas deformación-tiempo de los tres tipos de cemento asfáltico sometidos a una fuerza constante que se suprime en un momento dado. En dichas curvas se observa lo siguiente:

• Cemento asfáltico tipo l. La lámina móvil se desplaza a velocidad constante hasta el momento en que se suprime la fuerza aplicada. No existe recuperación elástica y tal como se aprecia, los cementos asfálticos newtonianos son independientes del tiempo de deformación. • Cemento asfáltico tipo 2. La velocidad de desplazamiento disminuye inicialmente hasta hacerse constante en cierto valor. Al suprimirse la fuerza, se produce la recuperación de parte de la deformación a velocidad decreciente después de la cual se establece el equilibrio. • Cemento asfáltico tipo 3. La velocidad de desplazamiento decrece inmediatamente, pero antes de hacerse constante se presenta una disminución creciente de la resistencia del cemento asfáltico lo cual hace que la velocidad de deformación aumente cada vez más. A esta propiedad se denomina tixotropía. Al cesar la fuerza se produce una recuperación parcial de la _deformación a velocidad creciente. Es interesante observar que en las curvas deformación-tiempo en el intervalo OTl, los cementos asfálticos tipo 2 y 3 presentan la misma forma que en los cuerpos elásticos, y la curva en los intervalos Tl T2 del cemento asfáltico tipo 3 es similar a la de un fluido

133


puramente viscoso. De tal manera que los cementos asfálticos tipo 2 y 3 presentan en su comportamiento propiedades características de los cuerpos elásticos y los puramente viscosos. Es posible dar una explicación a lo anterior, si tenemos en mente que el cemento asfáltico se compone de micelas, cuyas propiedades son en cierto modo, similares a las de los cuerpos sólidos dispersos en un fluido intermicelar puramente viscoso. Si _se estuviera en el interior de un cemento asfáltico podríamos tener una imagen real que explicara estas leyes de deformación. El cemento asfáltico se puede representar por una agrupación de elementos sólidos prismáticos y perfectamente elásticos e idénticos entre sí, separados por una capa de un líquido viscoso. En el cemento asfáltico tipo 1, la capa de líquido viscoso entre los dos sólidos elásticos (micelas) es de tal espesor, que el desplazamiento relativo de las dos capas sucesivas de sólidos se produce sin que estos sufran deformación apreciable. Toda la energía aplicada se utiliza para deformar viscosamente el líquido intermedio, y al suprimirse la fuerza no se produce recuperación (Figura 4.26). En el cemento asfáltico tipo 2, el espesor de la capa es tan pequeño, o su viscosidad tan grande, que al aplicar al sistema una tensión constante, esta se reparte entre las capas del líquido, en las que produce un flujo viscoso, y los elementos elásticos se deforman. La velocidad de deformación se compone inicialmente de la velocidad del flujo viscoso del líquido, mas la velocidad de deformación elástica de los sólidos. Cuando estos han llegado al límite H/Cf:U

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Figura 4.26. Imagen simplificada de la deformación de un asflato tipo 1

134

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Figura 4.27. Imagen simplificada de un asfalto tipo II

de su deformación elástica, la única velocidad de deformación restante es la del flujo viscoso. Al desaparecer la tensión cortante, la deformación viscosa permanece, pero la deformación elástica de los sólidos se recupera (Figura 4.27). En el cemento asfáltico tipo 3 ~ el sistema equivalente es análogo al anterior, pero hay que imaginar que los elementos sólidos no tienen su superficie lisa, sino rugosa, lo que exige considerable consumo de energía para provocar su deslizamiento. Por ello~ la velocidad de deformación disminuye en los primeros momentos como en un sólido elástico. Cuando los sólidos del sistema llegan a su máxima deformación, que puede provocar en ellos el esfuerzo de corte aplicado, todo el esfuerzo se reparte entre las superficies de contacto, y si es de magnitud suficiente, provoca un deslizamiento entre sólidos puliendo gradualmente las superficies, con lo que la velocidad aumentaría hasta llegar al máximo correspondiente al caso anterior, si no fuera porque el rozamiento interno producido provoca una elevación de la temperatura que de hecho permite aumentos de la velocidad mucho mayores (ver Figura 4.28). En la realidad, este fenómeno de disminución de la resistencia a la deformación, denominado tixotropía, se produce por un completo proceso de reordenación de las micelas. El comportamiento de los cementos asfálticos no newtonianos, se puede describir mediante la ley de potencia, basada en la ley de Waele Ostwald, la cual presenta la siguiente forma:

-r = k ( dv/dyy

135


ESTADO INICIAL.

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I:STADO ,.IHA.L

OEFORftiA CIOH

Figura 4.28. Imagen simplificada de un asfalto tipo III

en donde: k

: es una medida de la consistencia del material

e : Índice de flujo complejo y es una medida de lo lejano o cercano que esté un cemento asfáltico del fluir newtoniano. dv/dy : velocidad de deformación bajo un esfuerzo cortante t.

Influencia de la composición química del cemento asfáltico en su comportamiento reo lógico La clasificación de un cemento asfáltico en alguno de los tipos citados dependerá fundamentalmente de la composición química. Al tipo 1 corresponderán aquellos cementos asfálticos con un bajo contenido de asfaltenos y los que proceden de una destilación en donde se ha presentado cracking o los muy aromáticos. Los primeros presentarán micelas muy dispersas que no afectarán el comportamiento del fluido intermicelar, lo cual hace que su comportamiento sea el de un fluido viscoso. En los segundos, la concentración de micelas puede ser grande; pero las micelas están saturadas, con asfaltenos de relación C:H muy alta (alto grado de aromaticidad), son muy rígidas y su deformación bajo tensiones que hacen fluir la fase intermicelar es despreciable, por lo que la deformación elástica no se aprecia en el conjunto.

136


Al segundo tipo de cemento asfáltico pertenecen aquellos que tienen un contenido de asfaltenos más alto que los del primer grupo. La concentración de micelas es elevada y deformable elásticamente bajo esfuerzos de tensión moderados. Las micelas se encuentran bien peptizadas, de forma que no existe entre ellas ninguna unión estructural. Los cementos asfálticos del tipo 3 presentan mayor contenido de asfaltenos y la concentración de micelas es muy elevada, existiendo entre ellas uniones que las convierten en una verdadera estructura elástica en el seno del liquido intermicelar. Estas uniones pueden consistir en verdaderos enlaces químicos entre algunas moléculas de micelas contiguas o un simple entrecruzamiento de ramificaciones de estas moléculas.

Influencia de la temperatura en la viscosidad El estudio cuantitativo de la influencia de la temperatura en la viscosidad del cemento asfáltico reviste un alto interés práctico. En casi todas las aplicaciones del cemento asfáltico hay que modificar su viscosidad por calentamiento en algún momento, por lo cual conviene disponer de las curvas viscosidad-temperatura de los ligantes, obtenidas empíricamente determinando la viscosidad del producto a una serie de temperaturas (ver Figura 4.29). El cemento asfáltico se compone de micelas en cuyo núcleo la concentración de asfaltenos es muy elevada y se pasa por un proceso gradual de dilución, a las resinas y a los aceites o líquido intermicelar. Al elevarse la temperatura, por una parte las fuerzas de adsorción que unen las moléculas disminuyen, lo que se traduce en un aumento de la actividad de los disolventes, que hace que, en un cemento asfáltico caliente, el líquido intermicelar ocupe un volumen mucho mayor que en el mismo cemento asfáltico frío. Por otro lado, la viscosidad del líquido intermicelar también disminuye. En conjunto, se tienen micelas de menor volumen dispersas en un líquido intermicelar de viscosidad menor. Además, los enlaces entre micelas que pudieran existir inicialmente habrán desaparecido o se habrán debilitado, de manera que la viscosidad del cemento

137


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Figura 4.29. Relación viscosidad-temperatura de un cemento asfáltico

asfáltico disminuye con el calentamiento. Si el aumento de la temperatura es de magnitud importante, se produce un cambio de tipo reológico, es decir, un cemento asfáltico que a una temperatura dada pertenece al tipo 2, puede comportarse a una temperatura más elevada como un cemento asfáltico tipo 1 a la temperatura inicial. Según lo anterior, el conocimiento de la susceptibilidad térmica de un cemento asfáltico es de vital importancia para la determinación de las temperaturas óptimas de manejo (Figura 4.30).

La susceptibilidad térmica del cemento asfáltico El cemento asfáltico es un material termoplástico. Su consistencia cambia con la temperatura, la magnitud y duración de la carga. La susceptibilidad térmica del cemento asfáltico se define como el cambio de la consistencia, medida generalmente por la viscosidad, con un cambio de la temperatura. Es una propiedad inherente que

138


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( TI.MPI!.Ul'UfitA.S)

Figura 4.30. Variación de la reología del cemento asfáltico cor;t la temperatura

tiene todo cemento asfáltico y la cual es necesario manejar y aprovechar al máximo. Los cementos asfálticos con un alto grado de susceptibilidad térmica no son deseables ya que su viscosidad a 135°C puede ser muy baja, lo que puede ocasionar problemas durante los procesos de mezclado y compactación. Por otro lado, a bajas temperaturas de servicio su viscosidad puede ser muy alta lo cual puede generar problemas de fisuramiento por contracciones térmicas (Figura 4.31 ). Aprovechamiento de la susceptibilidad térmica

Si un cemento asfáltico presenta una viscosidad muy baja a las altas temperaturas de servicio, se pueden generar ahuellamientos. Si por el contrario, el cemento asfáltico presenta altas viscosidades a bajas temperaturas de servicio se presentarán fisuramientos. Lo anterior va unido a los cambios en el sistema coloidal que se puedan haber presentado durante la elaboración de la mezcla en planta. La susceptibilidad térmica de un cemento asfáltico se utiliza principalmente en los siguientes casos:

139


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SUSCEPTIBILIDAD

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Figura 4.31. Curva de susceptibilidad térmica de cementos asfálticos

• Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación • Calibración de las temperaturas de manejo en planta y en servicio a. Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación. La gran mayoría de las veces, los cementos asfálticos son aplicados en obra como un producto de viscosidad baja, obtenida bien por calentamiento del material, disolviéndolo en un solvente volátil ( cutback) o por su emulsificación en agua. Por tanto, la facilidad de manejo del material queda determinada por su relación viscosidad-temperatura, la solubilidad y posibilidad de emulsificación. De estos tres procedimientos, el más común es reducir la viscosidad del cemento asfáltico por calentamiento. Es característica del cemento asfáltico que su viscosidad disminuya rápidamente al crecer la temperatura. La relación viscosidad temperatura es el factor que gobierna la aplicación en caliente del cemento asfáltico, y es evidente la importancia de determinar la temperatura necesaria para reducir su viscosidad al valor requerido para una operación dada.

140


La temperatura de aplicación de un material bituminoso es muy importante tanto en el diseño de las mezclas como en las etapas de fabricación y colocación en obra. El grado de recubrimiento de los agregados se ve altamente influenciado por la viscosidad delligante y ésta, a su vez, por la temperatura. Por lo tanto, es necesario contar con una viscosidad óptima del cemento asfáltico para el mezclado, ya que si ésta es muy alta no se podrá obtener un óptimo recubrimiento y si es muy baja es muy posible que se presente durante el transporte de la mezcla escurrimiento delligante asfáltico con la pérdida de cobertura. Durante el proceso de compactación si la viscosidad es muy alta se presentarán dificultades para obtener el grado de compactación exigido y lo que es más importante, quedará un alto porcentaje de vacíos, nocivos para la durabilidad delligante y por tanto de toda la estructura del pavimento. Para el proyecto de mezclas asfálticas en el laboratorio utilizando el método de Bruce Marshall, la norma ASTM D1559 establece que la viscosidad del cemento asfáltico durante el proceso de mezclado debe estar en 85 ± 1O Segundos Saybolt Furol y la viscosidad del cemento asfáltico en el momento de compactar las briquetas en 140 ± 15 Segundos Saybolt Furol. Para la mezcla en planta, donde el sistema de mezclado es variable dependiendo del tipo de planta, el Instituto Norteamericano del Asfalto recomienda una viscosidad del cemento asfáltico entre 75 y 150 Segundos Saybolt Furol. En la Figura 4.32 se muestra una curva típica de susceptibilidad térmica para un cemento asfáltico, indicando la forma de obtener estas temperaturas. La viscosidad óptima de compactación en obra es imposible de obtener en el laboratorio por cuanto ésta es función del equipo y de las condiciones particulares de la misma. Por lo tanto, se recomienda la construcción de tramos de prueba para encontrar la temperatura óptima, que garantice el cumplimiento de las especificaciones exigidas. La operación de mezclado en planta es muy importailte. Durante ese proceso se puede envejecer un cemento asfáltico muchas ve-

141


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Figura 4.32. Determinación de las temperaturas de mezclado y compactación

ces, sin que podamos detectarlo visualmente. Esto es debido al espesor tan pequeño de película de cemento asfáltico que rodea a los agregados calientes, lo cual produce en el ligante una serie de cambios irreversibles a consecuencia de la volatilización de los hidrocarburos más livianos y a las reacciones químicas de oxidación y adsorción de algunos componentes por parte de los minerales del agregado.

142


Este efecto será mayor según la temperatura de calentamiento de los materiales y el tiempo de mezclado en la planta. Se pueden presentar cambios en la estructura coloidal del cemento asfáltico al volatilizarse los aceites, y las resinas disminuir por oxidación al transformarse en asfaltenos. Estos se pueden llegar a unir rigidizando la estructura e incrementando la viscosidad del cemento asfáltico, el cual, al entrar en contacto con los agregados genera una mezcla muy rígida que puede inducir una fisuración prematura de la carpeta aún sin tránsito y a pesar de tener un diseño estructural óptimo. b. Calibración de las temperaturas de manejo en la vía. En la elaboración y posterior colocación de una mezcla asfáltica en caliente y debido a un cambio en las características delligante asfáltico, se pueden llegar a presentar situaciones en las que es necesario corregir la temperatura de mezclado en planta y la temperatura de compactación en obra.

• Corrección de la temperatura de mezclado en planta. Para las condiciones particulares de la planta asfáltica, se ha venido utilizando un cemento asfáltico tipo A con una temperatura óptima de mezclado de 305°F (152°C). Por alguna razón, se cambia el cemento asfáltico A por un cemento asfáltico B, el cual posee una consistencia más baja, lo cual obliga a cambiar el sistema de operación de la planta con el fin de mantener la misma manej abilidad del ligante en el momento de entrar en contacto con las partículas de agregado. Como se desea mantener la manejabilidad delligante, se debe realizar el ajuste de acuerdo al siguiente procedimiento: Con la temperatura de mezclado definida para las condiciones específicas de la planta (305° F) se intercepta la curva de susceptibilidad del cemento asfáltico A, obteniendo la viscosidad correspondiente (medida de la manejabilidad delligante en el momento del mezclado). Con la manejabilidad obtenida en términos de viscosidad y la curva de susceptibilidad del nuevo cemento asfáltico B, se obtiene la nueva temperatura de mezclado para las mismas condiciones de la planta (275° F ó 135° C). En la Figura 4.33 se puede observar este procedimiento.

143


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Figura 4.33. Corrección de las temperaturas de mezclado en la planta

• Corrección de la temperatura de compactación in situ. Para un determinado tipo de agregado, espesor de capa, condiciones climáticas, estructura de soporte y equipo de construcción, el contratista ha venido utilizando un cemento asfáltico A con el que ha logrado cumplir con las especificaciones exigidas con una temperatura de compactación de la mezcla de 290°F (143 °C). Por algún motivo se presenta el cambio del cemento asfáltico por otro denominado B. Como se observa en la Figura 4.34, si continúa compactando la mezcla con esa temperatura, muy posiblemente va a tener problemas durante el proceso de compactación, ya que el nuevo cemento asfáltico tiene una menor viscosidad. Lo ideal es mantener la manejabilidad de la mezcla anterior durante el proceso de compactación con el cemento asfáltico A, independiente de las características del nuevo ligante; para lograr lo anterior se debe seguir el siguiente ~rocedimiento: Con la temperatura definida para las condiciones específicas del proyecto de 290°F se intercepta la curva de susceptibilidad de cemento asfáltico A obteniendo la viscosidad correspondiente.

144


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• TEMPERATURA

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Figura 4.34. Corrección de la temperatura de compactación

Con la manejabilidad obtenida en términos de viscosidad y la curva de susceptibilidad del nuevo cemento asfáltico B se obtiene una temperatura de compactación para las mismas condiciones particulares de la obra de 265°F (129°C). Métodos para medir la susceptibilidad térmica del cemento asfáltico

Los métodos comúnmente utilizados para determinar la susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos son: el índice de penetración IP, el número de penetración- Viscosidad PVN, y la susceptibilidad de la viscosidad a la temperatura SVT.

• El Índice de Penetración IP Pfeiffer y Van Doormaal expresaron la susceptibilidad a la temperatura, cuantitativamente en un término denominado índice de penetración. El IP se determina conociendo la penetración y el punto de ablandamiento del cemento asfáltico, asumiendo que todos los cemento asfálticos en la temperatura correspondiente al punto de ablandamiento tienen una penetración de 800 décimas de milímetro. Investigaciones


145

posteriores han llegado a la conclusión de que no todos los cementos asfálticos cumplen dicha premisa, en especial los que tienen alto contenido de ceras, elevado punto de ablandamiento y valores de IP altos. Es prudente medir la penetración a una temperatura diferente a la normal de 25°C. De esta manera es posible obtener el IP utilizando la pendiente de la curva (A) obtenida de dibujar en escala semilogaritmica las penetraciones obtenidas a dos temperaturas diferentes; dicha pendiente se calcula de la siguiente forma: A

=

(log Pen a TI - log Pen a T2)/(Tl-T2)

Para el cálculo del IP se utiliza la expresión empírica: IP

=

(20 - SOOA)/1 +50A

Ejemplo: Se desea determinar la susceptibilidad térmica de un cemento asfáltico utilizando el IP. Para ello se ordenó realizar dos ensayos de penetración a 25°C y 4,4°C, obteniendo penetraciones de 120 y 10 respectivamente. A= logl20-log10/25-4,4 = 0,052 IP

=

20 - 500 (0,052)/1 +50 (0,052)

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-1,67

Valores bajos de IP indican alta susceptibilidad térmica. Los cementos asfálticos normalmente utilizados para elaborar mezclas asfálticas tienen un IP entre +1 y- l. Cementos asfálticos con IP por debajo de- 2 son altamente susceptibles a los cambios de temperatura y usualmente se toman rígidos y quebradizos, siendo por ello propensos a sufrir fisuramiento transversal en climas fríos. En la Tabla 4.8 se puede observar la correlación entre el IP, la consistencia y naturaleza de los cementos asfálticos. El IP se puede obtener de manera aproximada utilizando los nomogramas que se muestran en las Figuras 4.35 y 4.36. Para ello es necesario conocer el valor de la penetración a dos temperaturas diferentes y el punto de ablandamiento.

146

Rugo León Arenas Lozano Tabla 4.8. Correlación entre el indice de penetración y la consistencia del cemento asfáltico

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Flujo

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Figura 4.35. Nomograma de Pfeiffer para calcular el IP

147


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Figura 4.36. Nomograma Shell para calcular el IP

Heukelom implementó el nomograma BTDC (Bitumen Test Date Chart), que permite correlacionar los principales ensayos de caracterización del cemento asfáltico. Los ensayos utilizados son: penetración, punto de ablandamiento, viscosidad y punto de fragilidad Fraass. El nomograma BTDC que se muestra en la Figura 4.37 consiste en una escala horizontal para la temperatura y dos escalas verticales: una para la penetración y la otra para la viscosidad. La escala de penetración presenta dos marcas, una de ellas indica la penetración de 1,25 en el punto de fragilidad, mientras que la otra, una penetración de 800 a la temperatura del punto de ablandamiento. Los valores obtenidos en los ensayos, colocados en el nomo grama se alinean en una recta, mediante la cual es posible determinar el IP, trazando una paralela a ella por el punto guía m~cado en el

148

Hugo León Arenas Lozano Punto Fmass,

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Figura 4.37. Nomograma de Heukelom

nomograma y la escala del índice de penetración. De acuerdo con la forma en que se coloquen los valores en el nomograma, se pueden definir tres clases de cementos asfálticos: Los cementos asfálticos clase S, representados por líneas rectas tienen un bajo contenido de parafina y son característicos de los ligantes utilizados en la elaboración de mezclas asfálticas. Los cementos asfálticos clase W, originan curvas similares a las de la Figura 4.3 7. Es típica de los asfaltos con alto contenido de parafina. Se destacan dos rectas no alineadas e igual pendiente, dejando una zona de transición que corresponde a los diferentes estados de cristalización de las parafinas. Los cementos asfálticos clase B, originan dos líneas rectas con diferentes pendientes, típicas en los asfaltos soplados u oxidados. Estos asfaltos no se emplean en la elaboración de mezclas asfálticas.


149

El nomograma permite determinar las temperaturas óptimas de · mezclado y compactación del cemento asfáltico, durante el diseño de la mezcla en el laboratorio. Igualmente, correlaciona de alguna manera, los ensayos tradicionales más comunes con la composición química del cemento asfáltico.

• El Número de Penetración- Viscosidad PVN. McLeod propuso el PVN para determinar la susceptibilidad de los cementos asfálticos, basado en la penetración a 25°C y la viscosidad a 135°C ó 60°C. Para ello es utilizada la siguiente ecuación: PVN = (-1.5) L-XIL-M X = el logaritmo de la viscosidad medida a 135°C. L =el logaritmo de la viscosidad a 135°C para un PVN de 0,0. M= el logaritmo de la viscosidad a 135°C para un PVN de -1,5 Los valores de viscosidad de L y M pueden leerse en el nomograma desarrollado por McLeod (Figura 4.38) para cementos asfálticos típicos. El nomograma contiene dos líneas con valores de PVN asignados de 0,0 y-- 1,5. De igual manera, pueden utilizarse las siguientes ecuaciones: Log V= 4,25800- 79670 log P (ecuación de la recta que representa a un PVN de 0,0 Log V = 3,46289 - 0,61094 log P (ecuación de la recta que representa a un PVN de- 1,5) En donde V es la Viscosidad en Centistokes a 135°C y Pes la penetración a 25°C. Ejemplo: un cemento asfáltico tiene una penetración de 100 a 25°C y una viscosidad de 400 cSt a 135°C. Calcular el PVN usando la carta de McLeod. PVN = L-X/L-M X = log 400 =2.602 L = log 450=2.653 (de la carta de McLeod)

150


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500 1000 2000

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Figura 4.38. Nomograrna para el cálculo aproximado del PVN

M= log 180 PVN

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2,255 (de la carta de McLeod)

2,653-2,602/2,653-2,255 (-1,5) = -0,19

Valores bajos de PVN indican alta susceptibilidad térmica del cemento asfáltico. La mayoría de los cementos asfálticos utilizados para elaborar mezclas asfálticas tienen valores de PVN entre +0,5 y- 2,0. Aunque el' PVN puede ser determinado fácilmente a partir de los ensayos convencionales, algunos estudiosos del cemento asfáltico consideran que la susceptibilidad térmica obtenida en este rango de temperaturas (25°C y 135°C) no puede ser extrapolada a valores más bajos.


151

Una diferencia con el IP es que el PVN en el cemento asfáltico envejecido no cambia de manera sustancial, tal como ocurre con el IP, el cual se incrementa al envejecerse durante el proceso de mezclado en planta y condiciones de servicio.

• La susceptibilidad de la viscosidad a la temperatura SVT. Para determinar SVT es necesario conocer la relación entre el doble logaritmo de la viscosidad en centistokes y el logaritmo de la temperatura en términos absolutos: Grados Kelvin (ecuación empírica de Walther). Al dibujar estos puntos en una escala especial, se obtiene como resultado una línea recta cuya pendiente es igual a SVT. SVT = (loglog Viscosidad a T2 - loglog viscosidad a TI )/(log Tl-log T2) Valores altos de SVT indican una alta susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos. Generalmente, la pendiente de las rectas a temperaturas menores de 60°C tienden a desviarse un poco de la pendiente establecida para la recta encontrada entre 60°C y 135°C. Esto se explica por la dependencia de la viscosidad al esfuerzo de corte aplicado (cementos asfálticos no newtonianos) a temperaturas por debajo de 60°C. El SVT para los cementos asfálticos normalmente utilizados en la elaboración de mezclas asfálticas en caliente varían de 3,36 a 3,98.

El índice de corte A altas temperaturas muchos cementos asfálticos se comportan como fluidos puramente viscosos (Newtonianos), en los que la velocidad de deformación es proporcional al esfuerzo cortante aplicado, y ese coeficiente de proporcionalidad es la viscosidad del cemento asfáltico a esa temperatura, o sea que la viscosidad es independiente de la variación del esfuerzo aplicado. A bajas temperaturas y/o después de sufrir un proceso de envejecimiento, muchos de ellos exhiben un comportamiento no newtoniano o flujo viscoelástico, y la viscosidad depende de los cambios que se produzcan en el esfuerzo aplicado. El cambio de la

152


viscosidad con la variación del esfuerzo cortante aplicado se denomina susceptibilidad al corte o índice de corte y se considera una propiedad intrínseca de cada cemento asfáltico. El índice de corte se determina mediante la tangente del ángulo del logaritmo de la variación del corte (X) versus el logaritmo del cambio de viscosidad (Y) de la figura definida por los resultados de laboratorio (viscosidades a diferentes estados de esfuerzo). El índice de corte se incrementa con el envejecimiento del cemento asfáltico, dependiendo de su composición química. El índice de corte o la viscosidad, por sí solos, no indican necesariamente cuál será el comportamiento del pavimento. El aumento del índice de corte incrementa la viscosidad a 25°C, y parece ser que es uno de los factores que más afectan su comportamiento en servicio. Una variación pequeña en el índice de corte con el correspondiente aumento de viscosidad ha sido asociado por muchos investigadores con un buen comportamiento en servicio.

El módulo de rigidez del cemento asfáltico o stiffness Es la relación entre el esfuerzo cortante y la deformación en función del tiempo de aplicación de carga y la temperatura. En muchas aplicaciones de las mezclas asfálticas, el stiffness del cemento asfáltico es una característica que se debe conocer, para poder prever el comportamiento de la mezcla y de toda la estructura del pavimento de la cual hace parte. De manera ideal, se puede afirmar que a altas temperaturas de servicio (alrededor de 60°C) el cemento asfáltico debe tener alto stiffness con el fin de evitar la presencia de ahuellamiento. Por otra parte, el stiffness del cemento asfáltico a temperaturas de servicio baja debe ser menor con el fin de evitar el fisuramiento de la capa asfáltica por contracción térmica. A altas temperaturas de servicio, un incremento d~ la resistencia al ahuellamiento se puede obtener mediante la correcta selección del agregado y diseño de la mezcla, por lo que la rigidez del cemento asfáltico es secundaria. A bajas temperaturas de servicio la rigidez del cemento asfáltico es la responsable directa de la aparición de fisuras por cambios bruscos de temperatura.


153

La Figura 4.39 muestra en un diagrama simplificado la dependencia del tiempo de carga, en el stiffness de una mezcla asfáltica en caliente para una temperatura dada. Se observa como a pequeños tiempos de aplicación de la carga, la rigidez es independiente del tiempo, aproximándose al valor del módulo de elasticidad elástico del material. Para valores intermedios del tiempo de aplicación, el stiffness disminuye al incrementarse el tiempo. Para tiempos de aplicación muy altos el stiffness seguirá decreciendo en una proporción constante y el comportamiento se puede considerar como el de un fluido puramente viscoso. El stiffness bajo esas circunstancias da en cierto grado una medida de las características de flujo de la mezcla. En la Figura 4.39, esta deformación viscosa ha sido caracterizada por 1 (tracción viscosa) para indicar el comportamiento bajo esfuerzos axiales. Como se observa en la figura, 1 es aproximadamente igual a tres veces la viscosidad.

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Figura 4.39. Relación entre el Stiffuess de un material asfáltico y el tiempo de carga

154


El verdadero modelo para evaluar el stif:fness de la mezcla asfáltica es un sistema de tres dimensiones sometido a la acción de las cargas del tránsito, lo cual resulta muy complejo de estudiar, más aún, cuando la respuesta depende del tiempo de carga y la temperatura. En el año 1954, Van der Poel recomendó estudiar la rigidez de la mezcla mediante un sistema sometido a una carga simple concentrada, lo cual parece razonable para la gran mayoría de los casos. Sugirió un único parámetro S definido como el stiffness, tal como sigue: S (t, T)= cr/E Donde: S

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A tiempos de aplicación de carga muy pequeños y temperaturas bajas, una mezcla asfáltica tendrá un comportamiento casi elástico y el stiffness será el módulo de elasticidad E. Por otra parte, el stiffness de una mezcla asfáltica sometida a cargas de aplicación de alta duración y altas temperaturas será igual a la relación entre el esfuerzo aplicado y la deformación resultante. El stiffness de un cemento asfáltico puede determinarse utilizando cualquiera de los métodos siguientes:

• Métodos indirectos. Basados en ensayos rutinarios realizados al cemento asfáltico, tales como la penetración y punto de ablandamiento, entre otros. Por lo general se utilizan nomogramas que simplifican su determinación. • Métodos directos. El stiffness se obtiene mediante una medición directa a través de ensayos de laboratorio, en pruebas de relajación, creep, entre otros. Utilizándose muy regularmente métodos de prueba dinámicos y por flexión.

155


Métodos indirectos

Van der Poel realizó una serie de investigaciones utilizando mezclas asfálticas densas compactadas con un 3 a 5 por ciento de vacíos con aire, sometiéndolas a diferentes tipos de prueba creep y ensayos dinámicos. Encontró que el stiffness de la mezcla asfáltica depende directamente de la rigidez del cemento asfáltico contenido en ella y de la concentración en volumen del agregado Cv (ver la Figura 4.40). En donde: Cv = volumen del agregado compactado/(volumen de agregado + cemento asfáltico) Cv

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156


Basado en los resultados de su investigación desarrolló el nomograma de la Figura 4.41 que permite determinar la rigidez del cemento asfáltico a una determinada temperatura y un tiempo de aplicación de carga, conociendo el punto de ablandamiento y el índice de penetración del cemento asfáltico. Por su parte el stiffness de la mezcla asfáltica en caliente puede obtenerse del nomograma de la Figura 4.40, conociendo de antemano la concentración de agregado presente en la mezcla. Heukelom y Klomp estudiaron el método propuesto por Van der Poel y modificaron la relación entre la rigidez del cemento asfáltico y la rigidez de la mezcla asfáltica, tal como se muestra en la Figura 4.42. Heukelom, sugirió medir la penetración a tres temperaturas diferentes, colocarlas en el nomograma BTDC (Bitumen Test Data Chart), determinar el índice de penetración IP (pen/pen) y corregir el punto de ablandamiento anillo y bola. El punto de ablandamiento corregido se obtiene de prolongar la línea que une las penetraciones con el punto de viscosidad de 12.000

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Figura 4.41. Nomograma de Van der Poel para determinar la rigidez del cemento asfáltico

157


poises de la carta BTDC. Realizado lo anterior, se puede utilizar el nomograma desarrollado por Van der Poel. Estas consideraciones son necesarias tenerlas en cuenta porque se pueden cometer errores muy significativos cuando se utiliza directamente el punto de ablandamiento de un cemento asfáltico con alto contenido de parafina. McLeod, modificó el método de Heukelom para determinar el Stiffness del cemento asfáltico. La principal diferencia está en la utilización del PVN en lugar del índice de penetración. Las Figuras 4.43 y 4.44 son utilizadas para obtener la rigidez del cemento asfáltico utilizando la penetración a 25°C y la viscosidad a 135°C.

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SC. ASFALT ICO, Kg/cm2 Figura 4.42. Relación entre la rigidez de la mezcla asfáltica y la rigidez del cemento asfáltico en función de Cv (Heukelom y Klomp)

158


Los métodos indirectos son rápidos y fáciles de aplicar, pero tienen algunas limitaciones, a saber: • La escala de los nomogramas debe ser usada con mucho cuidado al utilizarse para la interpolación de datos y obtener resultados. Un lápiz con punta gruesa puede llevar a la obtención de resultados de dudosa confiabilidad. • La determinación de la rigidez del cemento asfáltico y de la mezcla asfáltica partiendo de ensayos de rutina del cemento asfáltico, parece ser un método poco científico para la gran mayoría de los ingenieros y tecnólogos investigadores del tema de los cementos asfálticos. • No es posible estimar el error cometido al determinar el stiffness por estos métodos, a no ser que sea corroborado a través de los métodos de determinación directa disponibles en la actualidad. Métodos directos

A temperaturas altas de servicio (mayor de 60°C), la viscosidad puede servir como parámetro de medida de la rigidez del cemento asfáltico. Viscosímetros capilares se usan frecuentemente para medir la viscosidad de los cementos asfálticos de comportamiento newtoniano en ese rango de temperaturas, ya que a bajas temperaturas de servicio en donde el flujo delligante bituminoso tiene un comportamiento más complejo, es necesario utilizar un viscosímetro que mida la viscosidad en función de la temperatura y esfuerzo de corte aplicado. En el año 1974, Schweyer realizó una compilación de los muchos equipos que se han utilizado para el estudio del comportamiento viscoelástico de los cementos asfálticos, clasificándolos en tres grupos: a) los viscosímetros rotacionales, b) los reómetros, y e) los del tipo placas deslizantes. Los equipos más utilizados para la determinación de la viscosidad del cemento asfáltico a bajas temperaturas de servicio son el viscosímetro de cono y plato y el microviscosímetro de placas deslizantes. Ambos métodos fueron adoptados por la ASTM para

159


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Figura 4.43. Relación entre la penetración y PVN del cemento asfáltico y la temperatura de servicio

medir la viscosidad de los ligantes bituminosos en un amplio rango de esfuerzos de corte. Posteriormente, la ASTM adoptó el tubo capilar como método de medida de la viscosidad aparente en cementos asfálticos de comportamiento no newtoniano (ASTM D-4957). El reómetro de placa deslizante de la Shell mide el stiffness del cemento asfáltico a bajas temperaturas y ha servido de base para la implementación de nuevas técnicas para determinar con precisión

160


el stiffness de los cementos asfálticos. Recientemente, el reómetro fue modificado para ampliar el rango de medida de 1 x 108 a 1,5 x 10 9 N/m2 • El equipo funciona de la siguiente manera: una muestra de cemento asfáltico de espesor 2 a 1O mm se coloca entre dos placas de aluminio (20 x 30 mm). Una de las placas se fija verticalmente al marco del equipo. Se aplica un esfuerzo determinado y la placa móvil se mueve lentamente, midiéndose la deformación que sufre el espécimen mediante un transductor. •e

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Figura 4.44. Nomograma de McLeod para determinar el módulo de rigidez del cemento asfáltico


161

El reómetro espectrómetro mecánico (RMS), es un instrumento que se utilizó inicialmente para estudiar el flujo en polímeros, y actualmente es utilizado para medir las características viscoelásticas de los cementos asfálticos a temperaturas bajas de servicio, en especial para medir el módulo de rigidez del cemento asfáltico mediante la aplicación de cargas cíclicas y tiempos de aplicación muy cortos.

Influencia de las propiedades reológicas de un cemento asfáltico en el comportamiento de un pavimento Existen algunos tipos de fallas en las mezclas asfálticas en caliente muy relacionadas con las características dinámicas del cemento asfáltico utilizado para su elaboración, que influyen en el comportamiento de toda la estructura. Entre las principales se encuentra el desprendimiento de partículas, el fisuramiento, el ahuellamiento y la falta de adherencia. El desprendimiento de partículas

El desprendimiento superficial de partículas de agregado en una mezcla asfáltica en caliente se debe especialmente a los siguientes factores: a) deficiente contenido de ligante, b) insuficiente contenido de agregado fino en los vacíos dejados por las partículas más grandes, e) deficiente compactación (alto contenido de vacíos con aire) y d) un excesivo envejecimiento del cemento asfáltico. El envejecimiento del cemento asfáltico se traduce en un incremento de su consistencia, reflejado en un aumento de la viscosidad y disminución de la penetración. Lo anterior causa un incremento progresivo de la rigidez con la consiguiente pérdida de características adherentes. Un alto contenido de vacíos con aire, debido a un deficiente proceso de compactación, acelera el proceso de envejecimiento con la aparición de manera prematura del desprendimiento de partículas bajo la acción del tránsito y los agentes climáticos. Una relación

162


entre el proceso de desprendimiento y el porcentaje de vacíos con aire se muestra en la Figura 4.45. Para las mismas condiciones, mezclas asfálticas elaboradas con cemento asfáltico de igual origen pero de alta consistencia, son más propensas a los desprendimientos que las mezclas elaboradas con ligantes más blandos.

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Figura 4.45. Evolución del Grado de desprendimiento con el porcentaje de vacíos


163

El fisuramiento

Aunque muchos de los fisuramientos se pueden describir de acuerdo con su forma geométrica: transversales, longitudinales, en bloque, cocodrilo, o por el mecanismo que causa la aparición de la misma: contracción, reflexión, etcétera, el fisuramiento de las mezclas asfálticas se pueden dividir en dos grupos: a) fisuramiento asociado a la acción de las cargas y b) fisuramiento no asociado a las cargas del tránsito.

• Fisuramiento asociado a la acción de las cargas del tránsito. La principal clase de fisuramiento asociado a las cargas se denomina «fisuramiento por fatiga o fisuras piel de cocodrilo». Numerosos investigadores han realizado ensayos de fatiga en mezclas asfálticas en caliente. Los resultados se ven influenciados por el modo de ensayo: esfuerzo constante o deformación constante y el criterio de falla. En general, los ensayos a esfuerzo constante dan como resultado mayor vida a la fatiga para mezclas asfálticas elaboradas con un cemento asfáltico dado, dando como resultado mezclas con un mayor stiffness. Por ejemplo, cemento asfáltico con alta viscosidad o baja penetración generalmente da como resultado un módulo de rigidez más alto y requiere mayor número de ciclos para llegar a la falla, manteniendo constantes las otras condiciones de ensayo. Para ensayos a deformación constante, el efecto es contrario; a mayor penetración y menor viscosidad del cemento asfáltico se obtienen mezclas con mayor vida a la fatiga. Basados en numerosas investigaciones, se han definido dos hipótesis relacionadas con el espesor del pavimento, módulo de rigidez y comportamiento a la fatiga de las mezclas asfálticas. Para capas de rodadura delgadas, se deben usar mezclas de bajo stiffness (baja viscosidad del cemento asfáltico) y medir la vida a la fatiga de las mezclas asfálticas mediante ensayos a deformación constante. Obviamente, la rigidez no puede ser demasiado baja ya que puede llevar a problemas de ahuellamientos. Para capas de rodadura gruesas (más de 12 cm), se deben usar mezclas con alta rigidez (cemento asfáltico de viscosidad alta) y evaluar la vida a la fatiga utilizando ensayos a esfuerzo constante.

164


Esto quiere decir que al utilizar cementos asfálticos envejecidos prematuramente durante operaciones de mezclado o bajo condiciones pobres de compactación, en la elaboración de capas asfálticas delgadas, conlleva muy seguramente al desarrollo prematuro de fisuramiento por fatiga tipo piel de cocodrilo, lo cual se observa muy frecuentemente en los pavimentos que se construyen o rehabilitan.

• Fisuramiento no asociado a las cargas. De los muchos tipos de fisuras no asociadas a las cargas del tránsito, las fisuras debidas a bajas temperaturas que se manifiestan por una fisura transversal en la capa de rodadura asfáltica, son las que más interesan desde el punto de vista ingenieril. Observaciones y medidas realizadas in situ han demostrado que se inicia en la superficie y con el tiempo se propaga hacia abajo. Esto ocurre por causa de las bajas temperaturas ambientales que enfrían primero la superficie del pavimento. Las mezclas asfálticas sometidas a altas ratas de enfriamiento y bajas temperaturas desarrollan grandes esfuerzos a tensión al contraerse. Si la magnitud de esos esfuerzos excede la resistencia a la fractura de la mezcla, se generan fisuras transversales para disipar los esfuerzos inducidos. Las mezclas asfálticas con alto módulo de rigidez a bajas temperaturas son las más propensas a fisurarse. La rigidez de las mezclas a baja temperatura depende de la rigidez del cemento asfáltico. Cementos asfálticos con alto stif.frzess a bajas temperaturas es la causa fundamental de la aparición de fisuras transversales en el pavimento. Otros factores como el espesor de la capa asfáltica y el tipo de subrasante influyen en la frecuencia y extensión de las fisuras. Investigaciones realizadas en laboratorio han demostrado que la consistencia del cemento asfáltico medida en términos de penetración a 25°C y el PVN o IP son los parámetros que más influyen en la aparición de fisuras a bajas temperaturas. Por lo tanto, debe tenerse mucho cuidado al utilizar cementos asfálticos que tengan una alta susceptibilidad térmica, ya que a bajas temperaturas suelen tomarse muy rígidos y quebradizos, perdiendo de manera casi total sus propiedades ligantes.


165

Muchos investigadores han recomendado limitar la rigidez del cemento asfáltico para evitar la aparición de fisuras a bajas temperaturas. Por ejemplo, algunos estados en Norte América como el de Pennsylvania, han modificado las especificaciones de la AASHTO para grados de viscosidad de los cementos asfálticos, introduciendo límites al stiffness delligante a un valor máximo de 275 k/cm2 (3.900 psi) a una temperatura de - 23°C y 20.000 segundos de aplicación de carga. Este límite se obtuvo después de estudiar el comportamiento de seis pavimentos. La Figura 4.46 muestra dos pruebas realizadas en un pavimento de dos carriles. Uno presentó fisuramiento transversal intensivo durante el primer invierno y el otro no presentó fisuramiento. Usando el límite recomendado de 275 k/cm 2 y el nomograma de McLeod para el cálculo de stiffness se pueden deducir valores de PVN y penetración para los cementos asfálticos con el fin de controlar este tipo de comportamiento anómalo. Algunos de estos valores se pueden observar en la Tabla 4.9.

Figura 4.46. Ensayo realizado en carriles adyacentes con cementos asfálticos de distinta rigidez

166

Hugo León Arenas Lozano Tabla 4.9. Valores de PVN recomendados para el control del fisuramiento por cambios de tempratura Penetración a 25 "C

Mioimo PVN permitido

Vfscosidad mín. a 135 ·e cst

60

-0.80

390

65

.Q.95

330

70

·UO

290

75

·125

250

Cementos asfálticos con alta susceptibilidad térmica pueden utilizarse siempre y cuando su penetración sea alta. A valores altos de la penetración la curva de susceptibilidad (viscosidad vs. temperatura) cambia muy poco a 25°C, por lo cual el cemento asfáltico no excede los valores límites de :rigidez a - 23 °C, a pesar de que la línea presenta una pendiente fuerte El ensayo a escala más grande que se conoce con el fin de evaluar este fenómeno, lo realizó el gobierno de Canadá en St. Anne. De sus resultados, muchos investigadores han podido definir valores críticos de stiffness para el cemento asfáltico. El ensayo de St Anne encontró que los pavimentos se fisuraban a bajas temperaturas cuando el ligante tenía un stiffness de 1 x 109 N/m2 (145.000 psi) a 0,5 h de aplicación de carga (esto equivale aproximadamente a 6 x 108 N/m2 a 2.0 horas; 5 x 10 8 N/m2 a 10.000 s). Readshaw, basado en las especificaciones de la British Columbia, encontró valores de 2 x 10 8 N/m2 a 2 h de aplicación de carga, valor que está alejado del obtenido del ensayo de St. Arme. Por su parte Fromm y Phang sugirieron un valor de 1,4 x 108 N/m2 (aproximadamente 20.000 psi) a 10.000 s, como valor crítico del stiffness del cemento asfáltico. Gaw, recomendó que las especificaciones de cemento asfáltico a bajas temperaturas deben basarse en el nomograma mostrado en la Figura 4.4 7. Los cementos asfálticos que cumplan con este requerimiento tendrán un comportamiento adecuado bajo las temperaturas ambiente mínimas o temperaturas en la superficie de la capa asfáltica que se presenten en servicio. Los límites de la especificación se definen mediante líneas rectas obtenidas al dibujar en esca-


167

1 1

1

150

-:50

(.)

1

o

10 C\1 <(

:z o

1

100

.1

1

8)

1

1

1 1

-25

1 1

1

1

1 1

t;j

ffi

1

1

~ eo a: a..

1 1

1

1

1 1

40

1 1

20L-•2~~~~4----~6~~8~1~0--~1~5--~20=-~30~~40~ PENETRACfa\J

A 5°C

Figura 4.47. Nomograma para predecir el fisuramiento de cementos asfálticos por cambios de temperatura

la logarítmica, la penetración a 25°C y 5°C. Un determinado cemento asfáltico en el cual la penetración a 25°C y 5°C, estén sobre la línea o en la parte derecha de la misma, tendrá un comportamiento aceptable. En el nomograma se puede entrar con las características del cemento asfáltico original o envejecido y en ambos casos se debe cumplir con los límites establecidos. El ahuellamiento

Es causado por el movimiento progresivo de los materiales de las capas asfálticas de rodadura o/y capas de alivio asfálticas (bases asfálticas) bajo cargas repetidas. Esto ocurre por consolidación o/y flujo plástico. La consolidación es la compactación que sufre la capa después de construida por la acción del tránsito. Cuando la compactación

168


es deficiente (10% a 12% de vacíos con aire o más, para una mezcla diseñada con 3 a 5%), la canalización del tránsito induce que las partículas se desplacen entre sí bajo la huella de las llantas, hasta llegar a los vacíos especificados del 3 a 5%. Un aumento sustancial de ahuellamiento puede ocurrir por consolidación bajo el tránsito cuando se utilizan capas gruesas. Los ahuellamientos también resultan de la deformación permanente por flujo lateral de tipo plástico de la mezcla asfáltica bajo las huellas de las llantas de los vehículos. El uso de un contenido alto de cemento asfáltico es la causa más común de este fenómeno. Mucho contenido de ligante en la mezcla causa la pérdida de fricción interna entre las partículas de agregado por lo que el cemento asfáltico va a tomar más carga que la estructura mineral. El flujo plástico se puede minimizar utilizando mayor tamaño máximo del agregado, textura rugosa de las partículas tanto de agregado grueso como del agregado fino y una efectiva compactación durante la construcción. La consistencia del cemento asfáltico utilizado (penetración o viscosidad), juega un papel menor en el fenómeno, si tenemos agregados bien gradados, rugosos y buena compactación. Es posible obtener algún benefido si se utilizan ligantes duros (alta viscosidad o bajas penetraciones a las temperaturas altas de servicio). Aunque no se debe olvidar que estos ligantes muy duros son más propensos a fisurarse en regiones en donde hay cambios bruscos de la temperatura, en especial durante la época de invierno y cuando son utilizados en una capa de rodadura superficial. De igual forma es posible incrementar la viscosidad del ligante utilizando filler mineral con el fin de limitar el ahuellamiento, aunque se debe evitar un contenido excesivo del mismo. Pérdida de adherencia o stripping

Se define como el debilitamiento o la pérdida de las características adhesivas delligante y la superficie de la partícula de agregado en presencia de humedad. La fuerza resistente de la mezcla se debe a la resistencia cohesiva delligante y el grado de trabazón y resistencia friccionante del agregado. La resistencia cohesiva se obtiene


169

totalmente si existe una muy buena liga entre elligante y el agregado. Si la capacidad ligante es pobre en la interfase cemento asfálticopartícula, ocurrirá desprendimiento, ocasionando una falla prematura en la mezcla asfáltica y de toda la estructura del pavimento. Existen cinco mecanismos que pueden causar stripping del cemento asfáltico y la superficie de un agregado: la separación, el desplazamiento, la emulsificación espontánea, la presión de poros y la limpieza hidráulica. El stripping es un fenómeno muy complejo, que depende de muchas variables, incluidas las características delligante, el tipo de mezcla asfáltica y su colocación dentro de la estructura, características del agregado, el clima, el tránsito, las técnicas de construcción y el uso de aditivos antistripping, aunque la presencia de agua es su común denominador. La composición química del ligante asfáltico y agregado en la interfase ligante-partícula juega un papel primordial en el fenómeno de stripping, mientras que las características físicas del ligante, tienen un rol secundario. Generalmente, se ha referenciado a la viscosidad del ligante como la característica física más importante relacionada con el stripping en las mezclas asfálticas en servicio. Mezclas elaboradas con cementos asfálticos de alta viscosidad tienen un mejor comportamiento que aquellas elaboradas con ligantes de baja viscosidad. La viscosidad baja en un ligante asfáltico es deseable desde el punto de vista recubrimiento durante el proceso de mezclado en planta, más aún, cuando cementos asfálticos muy viscosos no se pueden utilizar por consideraciones de fisuramiento en climas fríos y reducción de la vida a la fatiga de las mezclas asfálticas elaboradas con esos ligantes. Es necesario conocer los fundamentos de la adherencia, para minimizar el problema utilizando otros medios, más que incrementado la viscosidad delligante asfáltico, lo cual no funciona en todos los casos y puede llevar a que se presenten otros tipos de problemas.

170


9. Caracterización de cementos asfálticos según el sistema Superpave (Superior Perfoming Asphalt Pavements) La constante demanda por la construcción de capas asfálticas de comportamiento superior generó como respuesta la investigación más grande que se haya realizado en el campo de los materiales bituminosos, denominada Programa Estratégico de Investigaciones en Carreteras (SHRP) de los Estados Unidos. Dicho programa fue establecido por el Congreso de ese país en el año 1987 con un costo de US $50 millones. Este dinero se invirtió en tres líneas de investigación: a) Especifica<;iones para ligantes asfálticos, b) especificaciones para mezclas asfálticas en caliente y e) el Superpave. Este último es un sistema integral de diseño de mezclas asfálticas que comprende ambas especificaciones. Hasta ese entonces, la caracterización de cementos asfálticos se realizaba utilizando ensayos simplistas como la penetración, punto de ablandamiento, viscosidad y ductilidad, entre otros, los cuales no reproducen o simulan las condiciones de carga y ambientales a las que se encuentra sometido el cemento asfáltico durante la vida útil del pavimento. En la Tabla 4.1 O se pueden observar los ensayos seleccionados por SHRP para caracterizar los cementos asfálticos, midiendo propiedades reológicas en la zona de altas temperaturas de manejo del producto (mezclado, bombeo y compactación), altas temperaturas de servicio y bajas temperaturas de servicio.

Ensayos para simular el envejecimiento del cemento asfáltico Todos los cementos asfálticos envejecen en mayor o menor grado, debido principalmente a dos causas: a) la pérdida de los aceites ligeros por volatilización y b) la reacción con el oxígeno del aire

171


(oxidación). En los procesos de mezclado en planta y en caliente y posterior colocación en obra, los ligantes envejecen por la acción de los dos mecanismos, debido a las altas temperaturas y flujos de aire que se utilizan en dichas operaciones. Durante muchos años se ha venido utilizando el ensayo al horno en película fina (TOF) y el ensayo de película fina y rotatoria (RTOF) para simular estas formas de envejecimiento. En el sistema integral Superpave se ha elegido este último, como el ensayo a utilizar para simular el envejecimiento durante el proceso de fabricación y posterior colocación en obra de la mezcla asfáltica en caliente. Una vez colocada y dada al servicio del tránsito, continúa el proceso de envejecimiento, siendo el principal mecanismo la oxidación. El programa SHRP ha desarrollado la vasija de envejecimiento a presión PAV, con el fin de simular este tipo de envejecimiento a largo plazo. Tabla 4.10. Ensayos utilizados por el programa SHRP

EQUIPO

PROPÓSITO

RollingThrn Ftlm Oven

Stmular enveJecim~ento a COf· to plazo del asfalto, durante

RTOF

produccfón y mezclado

PARÁMETRO QUE MIDE Resistencia al envejeom~en

to durante la cons1rue1:ión (durabilidad). SHRP B-003, MSHTOTP5

PressureA9ing Vessel (PA:II}

Envejecimiento a largo plazo bajo condiciones oo servicio

Resistencia al enve¡ecimien-

to durante la vida en sewicio. SHRP 6-005. AASHTO PP1

Viscoslmetro rotacional (RV}

Dynamic Shear Rheometer (OSR)

Bending Bé$m Rhoometer (BBR)

Mide propiedades del asfalto a altas temperaturas de construcción

Manerabilidad en el mezcla. do, bombeo y transporte

ASTM04402

Mide propiedades a temperaturas altas ymedias oo sewf.. cio.

Resistencia a la áeformadón permanente ( ruttmg) y

Mide propíeclades a temoeratura$ baJas de servicio

R~sistenda al fisuramíanto por temperatura. SHRP B·

físuramiento por fatiga. SHRP S.003, MSHTO TP5

002, MSHTO TP1 Dfrect Tensión Tester {DOT)

Mí:de propiedades a tempera-

turas bajas de tervlc.io

Resistencia al ftsurnmiento por temperatura. SHRP B· 006, MSHTO TP3

172


Ensayo de película fina rotativa RTOF (Rolling Thing Film Oven).

Este ensayo que se encuentra especificado por las normas AASHTO T240 y ASTM D-2872, fue desarrollado por el Departamento de Carreteras de California para simular el envejecimiento que sufre el cemento asfáltico durante las operaciones de mezclado y puesta en obra de la mezcla asfáltica en caliente (Figura 4.48). Este ensayo fue seleccionado por las siguientes razones: a) elligante original se expone continuamente al calor y flujo de aire durante el ensayo, b) si se usa algún aditivo o modificador, éste permanece disperso por la acción rotativa del ensayo, e) no se produce alguna membrana superficial o nata durante el ensayo que inhiba el envejecimiento, tal como ocurre en el ensayo de película fina (TOF) y d) solamente dura 7 5 minutos en comparación con las 5 horas que dura el ensayo TFO. El ensayo provee un asfalto envejecido para continuar con las pruebas con el reómetro de corte dinámico (Dynamic Shear Rheometer) y permite determinar la pérdida de volátiles sufrida durante el proceso de envejecimiento. La pérdida de volátiles indica el grado de envejecimiento que sufre el asfalto durante el mezclado y colocación de la mezcla asfáltica en caliente. Algunos cementos asfálticos pueden aumentar su masa por la formación de nuevos productos durante el proceso de oxidación que se presenta durante el ensayo.

•• Figura 4.48. Ensayo de película fina rotativa RTOF


173

La vasija de envejecimiento a presión PAV (Pressure Aging Vessel) El método fue desarrollado por el Dr. D. Y. Lee en la universidad del estado de Iowa para estudiar el envejecimiento que sufre el asfalto con el tiempo, y es práctica corriente utilizarlo para estudiar el envejecimiento de productos derivados del caucho. Este método, que se encuentra especificado en las normas ASTM D454 y ASTM D572, tiene las siguientes ventajas: a)limita la pérdida de volátiles, b) el proceso de oxidación se presenta sin necesidad de acudir a las altas temperaturas, e) se provee de una adecuada cantidad de ligante envejecido para la realización de otros ensayos de caracterización y d) es un ensayo rutinario de laboratorio fácil de realizar. El equipo utilizado por muchos años fue modificado por los investigadores del programa SHRP, los cuales desarrollaron un nuevo procedimiento para evaluar el envejecimiento a largo plazo en las condiciones de servicio (Figura 4.49). El equipo emplea presión y temperatura para reducir el tiempo de ensayo, de tal forma que puede simularse un envejecimiento a muy largo plazo (5 a 10 años) en tan sólo 20"horas. Durante el PR:ESk'>N OE AIRE SISTEMA PARA EL CONTFO..

DE TEMPERATURA

PORTAMLESTRAS

Figura 4.49. Equipo para el ensayo de envejecimiento a largo plazo del cemento asfáltico

174


mezclado y colocación en obra, elligante asfáltico ha sufrido ya un proceso de envejecimiento, por lo que el residuo del ensayo RTOF se utiliza para seguir envejeciéndolo a través del ensayo de vasija a presión. El equipo utiliza aire comprimido a alta presión (2.070 Kpa) y altas temperaturas (90, 100 ó 11 0°C) para simular el envejecimiento a largo plazo en tan sólo 20 horas de ensayo. Las muestras provenientes del ensayo RTOF se colocan en 1O recipientes las que a su vez son colocadas dentro de una vasija de acero inoxidable. La temperatura de ensayo varía según el clima de la región. El viscosímetro rotacional RV (Rotational Viscosimeter) El viscosímetro rotacional (RV) ha sido incluido en el Superpave para determinar la viscosidad de los ligantes asfálticos a temperaturas altas (por encima de 100°C), con el fin de asegurar un buen manejo durante los procesos de bombeo y mezclado. Para construir la curva viscosidad-temperatura es necesario determinar la consistencia a dos temperaturas entre 80°C y 160°C, teniendo en cuenta que la mayoría de los ligantes bituminosos tienen un comportamiento newtoniano a altas temperaturas. Esta curva nos permite determinar las temperaturas de mezclado y compactación a utilizar durante la dosificación de las mezclas asfálticas en caliente. Este equipo es más utilizado para evaluar la viscosidad de los asfaltos modificados, ya que al utilizar el viscosímetro capilar se presenta taponamiento del tubo e impide el flujo delligante. El Superpave limita la viscosidad de los ligantes asfálticos a 3 Pascal segundo (Pas) a 135°C, con lo que se asegura un buen manejo durante los procesos de bombeo y mezclado. Este método está especificado por las normas ASTM D 4402 y AASHTO TP48. En la Figura 4.50 se presenta el principio de funcionamiento del viscosímetro rotacional Brookfield, con el cual se determina la viscosidad midiendo el torque necesario para mantener una velocidad de rotación constante del cilindro sumergido en el asfalto a una temperatura dada. La magnitud del torque es una medida de la viscosidad del ligante, la que es determinada automáticamente por el viscosímetro.


175

TECLADO DE ~TROL

"" BANO TERMICO

Figura 4.50. Viscosímetro rotacional Brookfield

El reómetro dinámico de corte DSR (Dynamic Shear Rheometer) El comportamiento reológico de los cementos asfálticos depende del tiempo de aplicación de carga y de la temperatura, por lo que cualquier tipo de ensayo que permita su estudio debe tener en cuenta estos dos parámetros. Afortunadamente, antes del programa de investigación SHRP existían equipos denominados reómetros, muy utilizados para la evaluación de las características reológicas de los materiales plásticos. Estos equipos se conocen como reómetros de cizalla o de corte del tipo dinámico. El grupo SHRP adaptó estos equipos para el estudio del comportamiento reológico de los ligantes asfálticos, mediante la medida del Módulo complejo de corte G* y el ángulo de fase da temperaturas altas e intermedias de servicio y una frecuencia de carga determinada. El principio de funcionamiento es sencillo: el ligante se coloca entre una placa fl.ja y una móvil que gira hacia delante y hacia atrás como se muestra en la Figura 4.51. La placa oscilante parte del punto A y se mueve hacia el punto B. Desde el punto B la placa oscilante retrocede y pasa por el punto A en su recorrido hacia el punto C. Desde el punto C la placa vuelve al punto A. Este movi-

176

Rugo León Arenas Lozano ESFUERZO O DEFORMACION APLICADO POSICION DE LA PLACA OSCILANTI:

PLACA OSCILANTE

1 CICLO

Figura. 41.51. Principio del reómetro dinámico de corte

miento de A hacia B y hacia C y regreso al punto A se define como un ciclo. La frecuencia de oscilación es simplemente el número de ciclos por unidad de tiempo. Un ciclo completo de oscilación en un segundo se denomina un Herz (hz). Otra forma de expresar la frecuencia de oscilación es mediante la distancia circunferencial recorrida por la placa oscilante. Esta distancia se expresa en radianes y un radián corresponde a 57 grados. En este caso, la frecuencia se define en radianes por segundo. Todos los ensayos dinámicos de corte que se han normalizado para cementos asfálticos según Superpave se realizan a una frecuencia de 10 radianes por segundo, lo que equivale a 1,59 hz. Existen dos tipos de reómetros dinámicos de corte: de tensión constante y de deformación constante. Los reómetros a tensión constante aplican un par fijo para mover la placa oscilante del punto A al punto B. Dependiendo de la consistencia del asfalto, variará la magnitud del par necesario para mover la placa. Los cementos asfálticos de mayor rigidez necesitarán que se aplique un par mayor. Por lo general, en el sistema Superpave los ensayos se realizan en el modo de tensión constante. Los reómetros a deformación constante trabajan moviendo la placa del punto A al punto B y


177

midiendo el torque necesario. La diferencia esencial entre los dos reómetros es que los de tensión constante mantienen el par fijo, mientras que la distancia que se mueve la placa puede variar ligeramente entre ciclos. En los de deformación constante la distancia que se mueve la placa es fija y el par puede variar. El ensayo consiste en aplicar a una temperatura dada, un esfuerzo de corte alternativo con una frecuencia de 10 rad/seg, registrando la deformación producida y el desfase de tiempos resultantes entre esfuerzo y deformación. El módulo complejo G* es la relación entre la tensión aplicada y la deformación resultante, siendo por lo tanto una medida de la resistencia del asfalto a la deformación cuando es solicitada por cargas dinámicas (Figura 4.53). G* tiene dos componentes: una elástica, recuperable y otra viscosa, no recuperable. Los ligantes bituminosos a muy baja temperatura tendrán un comportamiento elástico representado por la flecha horizontal de la Figura 4.52. Por otra parte, los ligantes a altas temperaturas tendrán un comportamiento viscoso representado por la componente vertical de la misma figura. A temperaturas de servicio, el asfalto tendrá un comportamiento viscoelástico, es decir, tendrá las dos componentes A y B antes mencionadas. COMPORTAMIENTO

V!SC"LJSO

t:Otv1PORTAlV11 ENTO

ELAST!CO

Figura 4.52. Componenetes elástica y viscosa de un cemento asfáltico

178 ESFUERZO APLICADO

Rugo León Arenas Lozano rmax

TIEMPO

--

DEFORMACION RESULTANTE

G•-

'tm ..

5 ::

TIEMPO

0°

)'m ..

< S <

DE

DESFACE

90°-. COMPORTAMIENTO VISCO ELASTIOD

TIEMPO

Figura 4.53. Respuesta de un material viscoelástico a los esfuerzos y a las deformaciones

El ángulo de fase o es el retraso con que la deformación del ligante sigue al esfuerzo aplicado. Es necesario tener en cuenta que en materiales viscosos como el asfalto, el movimiento de la placa no se produce en el mismo momento en que se aplica la torsión. Para materiales elásticos la respuesta a la aplicación de carga es inmediata, o lo que es lo mismo, el ángulo de fase es igual a O. A temperaturas de servicio, el cemento asfáltico tiene un comportamiento viscoelástico, lo cual quiere decir que el ángulo de fase va aumentando hasta llegar a 90 grados, que corresponde a un comportamiento puramente viscoso. La componente elástica o módulo almacenado está relacionado con la energía almacenada por la muestra durante cada ciclo de ensayo. La componente viscosa o módulo perdido está relacionado con la energía perdida durante cada ciclo de ensayo por flujo o deformación permanente. Es importante aclarar que un material de comportamiento viscoelástico puro tiene una cantidad importante de respuesta elástica cuando se recupera completamente, por la acción de una carga no muy grande. Ambos módulos, el almacenado y el perdido tienen algo de esta respuesta elástica retardada, por lo que ninguno de los dos se puede considerar puramente elástico o puramente viscoso.

179


El diámetro de la placa y el espesor del ligante entre las dos placas circulares dependerá del grado de envejecimiento y la temperatura de ensayo. Los asfaltos originales y envejecidos en el RTOF son ensayados con una placa de 25 mm de diámetro y una película de 1 mm. Si elligante fue envejecido mediante el ensayo en vasija a presión, se utiliza una placa de 8 mm de diámetro y 2 mm de espesor. Para temperaturas mayores a 40 grados se utiliza un espesor de película de 1 mm y diámetro de la placa de 25 mm. Para temperaturas entre 4 y 40 grados requiere la utilización de una película de 2 mm y un diámetro de placa de 8 mm. La Figura 4.54 muestra dos asfaltos con el mismo valor G* (indicado por la línea diagonal) pero con diferente ángulo de fase 5, aunque, el asfalto B tiene una gran componente elástica comparada con la del asfalto A. Cuando ambos asfaltos son solicitados, el asfalto B desplegará una mayor deformación recuperable (elástica) y menor componente no recuperable o viscosa comparada con la del asfalto A. COMPONENTE

VISCOSA

COMPONENTE

G

VtSCOSA

H

'

COl\1PONENTE (X)"vA)NENTE

EL..ASTICA

EV.STlCA

ASFALTO B

ASFALTO A

Figura 4.54. Componentes del módulo complejo G*

180


Esto demuestra que el módulo complejo, por sí solo, no es suficiente para caracterizar el comportamiento reológico de un ligante asfáltico, siendo necesario conocer también el ángulo de fase. El reómetro es utilizado para evaluar las características del cemento asfáltico en tres condiciones diferentes: a) estado original (como llega de la refinería), b)después de envejecido a través del RTFO y e) después del envejecimiento en la vasija a presión. Las características reológicas del asfalto original y envejecido a través del RTFO, permiten conocer la resistencia al ahuellamiento de la mezcla asfáltica a temperaturas altas de servicio. El ensayo sobre la muestra envejecida a través del PAV se utiliza para conocer la resistencia que ofrece elligante al fisuramiento por fatiga a temperaturas intermedias. A continuación se presenta un análisis de los principales parámetros reológicos obtenidos con el reómetro, y su influencia en la respuesta delligante asfáltico al ahuellamiento y fisuramiento por fatiga de las mezClas asfálticas. • Factor de ahuellamiento. Para resistir el ahuellamiento es necesario que elligante tenga un valor alto de G* y un bajo ángulo de fase. Valores altos de G* proveen al asfalto de una mayor rigidez y valores bajos de d le dan mejores características elásticas. Al incrementar su elasticidad, el cemento asfáltico se hace más resistente a los ahuellamientos a altas temperaturas de servicio. Para su medición se utilizan muestras de asfalto en estado original y envejecidas a través de RTOF. Las muestras envejecidas representan el estado más temprano desde que se elaboró la mezcla en planta y su colocación en obra, en donde será sometido a los agentes oxidantes. El proceso de envejecimiento por oxidación a largo plazo hace que se incremente la rigidez, mejorando la resistencia al ahuellamiento. Para considerar el ahuellamiento, los investigadores· del programa SHRP midieron los parámetros reológicos mediante la aplicación de un esfuerzo constante, con el propósito de emitir una especificación al respecto. Al aplicar un ciclo de carga, una parte del trabajo es recuperada por la componente elástica, mientras


181

Figura 4.55. Ahuellamiento de una mezcla asfáltica en servicio

que otra parte es disipada en forma de deformación permanente y calor. Para minimizar la deformación permanente (ahuellamiento ), la cantidad de trabajo· disipado durante cada ciclo de carga debe ser minimizada. Matemáticamente, el trabajo disipado puede ser expresado mediante la siguiente expresión:

2[ G* /sen8 1 J

Wc =nxcro

En donde: W e =trabajo disipado por ciclo de carga cr o = esfuerzo aplicado durante el ciclo de carga G* =módulo complejo 8 = ángulo de fase Esta ecuación indica que el trabajo disipado por ciclo de carga es inversamente proporcional a G* /sen 8. Por esta razón el factor G* /sen 8 fue seleccionado como el parámetro para controlar el ahuellamiento en la especificación Superpave en los ligantes bituminosos. Se puede observar cómo el trabajo disipado por ciclo de carga se puede disminuir aumentando el valor de G* y/o disminuyendo el valor de 8. Estoés lógico, ya que al incrementar G* de un ligante

182


asfáltico lo hacemos más rígido y por ello más resistente al ahuellamiento. De igual forma, si disminuimos el valor del ángulo de fase el ligante tendrá una mayor capacidad de recuperación de tipo elástico, incrementado su resistencia al ahuellamiento (Figura 4.55). • Factor de fisuramiep.to por fatiga. Para determinar el parámetro de resistencia a la fatiga, se consideró el ensayo a deformación controlada. La evaluación del fisuramiento por fatiga de capas gruesas se realiza mediante ensayos a esfuerzo controlado, mientras que para capas delgadas se utiliza el ensayo a deformación controlada. Debido a que el fisuramiento es más factible que se presente en capas asfálticas delgadas, el programa SHRP considera este tipo de ensayo para el estudio del fenómeno del fisuramiento.

Matemáticamente, el trabajo·disipado por ciclo de carga a deformación constante se puede expresar por la siguiente ecuación: Wc =

1t

x

E 2 0

(G* x sen 8)

en donde c. o es la deformación y las otras variables, las que se describieron anteriormente. Dicha ecuación indica que si G* y/o

Figura 4.56. Fisuramiento por fatiga de una mezcla asfáltica


183

Figura 4.57. Propagación del fisuramiento a través de la capa asfáltica

8 aumentan, mayor será el trabajo disipado por ciclo de carga. Como G* disminuye, elligante asfáltico será menos rígido y se podrá deformar sin aplicac.iones de carga de gran magnitud. Adicionalmente, ligantes con bajos valores de 8 serán más elásticos y podrán recuperar su condición original sin disipación de trabajo. El trabajo se puede disipar de muchas formas, a saber: a) disipación de calor, b) flujo plástico, e) fisuramiento (Figura 4.56) y d) propagación del fisuramiento (Figura 4.57); contribuyendo todas ellas al deterioro de la estructura de pavimento. El parámetro G* x sen 8 fue escogido por las especificaciones Superpave para limitar la cantidad de energía disipada y así controlar el fenómeno de fisuramiento por fatiga. Existen tres requerimientos especificados para los parámetros obtenidos del ensayo DSR. Cuando ensayamos muestras de asfalto sin envejecer el valor de G* /sen 8 debe ser mínimo de 1,O Kpa. Cpando es utilizado el residuo del ensayo RTOF el valor mínimo de G*/sen 8 debe ser 2,2 kPa. Estos dos requerimientos mínimos fueron establecidos con el fin de controlar también el fenómeno del ahuellamiento. Otro requerimiento para el control del fisuramiento por fatiga de las mezclas asfálticas es que el valor G* sen 8 no debe ser mayor de 5.000 kPa.

184


El reómetro de flexión sobre viga BBR (Bending Beam Rheometer)

Es un equipo utilizado para medir (por primera vez en la historia) las propiedades reológicas del cemento asfáltico a las temperaturas mínimas de servicio, en donde los ligantes bituminosos son demasiado rígidos y propensos a sufrir fisuramiento por efectos de cambios bruscos de temperatura alta a una más baja. Al contraerse la estructura del pavimento por causa de una caída brusca de la temperatura, se empiezan a generar esfuerzos dentro de las capas de la estructura. Si la contracción ocurre muy rápidamente los esfuerzos pueden generarse y exceder la capacidad que tiene la mezcla asfáltica para disipar el esfuerzo. Cuando esto ocurre el pavimento desarrolla el fisuramiento como una forma de disipar el esfuerzo. El fisuramiento térmico puede resultar cuando la mezcla asfáltica llega a una temperatura baja crítica o cuando, por condiciones de clima, está sometido a un ciclo de temperaturas siempre por debajo de la crítica. Esta temperatura hace referencia al concepto de "Limiting Stiffness Temperature", el cual es la temperatura del pavimento en servicio a la cual un valor dado de stiffness es alcanzado por el asfalto a un tiempo de carga especificado. Un método para determinar las propiedades y respuesta a las bajas temperaturas fue desarrollado inicialmente en el año 1980. Posteriormente, el equipo de medida fue modificado y actualizado como parte de la investigación SHRP. El equipo se denominó Bending Beam Rheometer (BBR) (Figura 4.58). El procedimiento de ensayo se encuentra descrito en la norma AASHTO TPl. Los reómetros de corte que utilizan el principio de placas paralelas no pueden ser utilizados de manera confiable cuando los cementos asfálticos son demasiado rígidos a bajas temperaturas de servicio. Esto llevó al grupo SHRP al desarrollo de este ensayo que busca medir de forma precisa la rigidez y la velocidad de fluencia a las temperaturas más bajas que puedan darse en el pavimento. El reómetro de flexión sobre vigas utiliza el ensayo de creep, y es un equipo sencillo que mide la flecha (fluencia) bajo una carga constante a una temperatura que corresponde a la más baja que

185


VIGA DE

AP(J(O DE

LA

VIGA

Figura 4.58. Esquema del equipo de flexión sobre viga

soportará elligante en servicio. El ensayo consiste en aplicar sobre la viga de asfalto, una carga constante durante cuatro minutos y medir la flecha en el centro de la viga de forma continua durante ese tiempo, con lo cual y mediante un software calcular el stiffness en fluencia S y la velocidad de fluencia m. El clásico análisis teórico de una viga simplemente apoyada es utilizada para calcular la rigidez a 60 segundos de carga: S(t) = PL3 /4bh3 8 (t) En donde: S(t)= rigidez en la fluencia (creep) en un tiempo de 60 s P = carga constante aplicada de 100 g (980 mN) L

=

distancia entre apoyos, 102 mm

B

=

ancho de la viga 12,5 mm

h = espesor de la viga 6,25 mm 8 (t) = deflexión en t = 60 segundos

186


Aunque el stiffuess se debe calcular para la temperatura mínima de diseño y un tiempo de carga de dos horas (lo que resultaría un ensayo muy largo), se ha determinado un ensayo equivalente aplicando el principio de superposición de temperaturas, en el cual se obtiene después de 60 segundos de carga la misma rigidez, haciendo que el ensayo sea más práctico de realizar (Figura 4.59). El otro parámetro obtenido en el ensayo es el valor de m. Este indica la velocidad con que cambia la rigidez con el tiempo de carga, según se puede ver en la Figura 4.60. En otras palabras, m es la pendiente de la curva log rigidez versus log t. Las especificaciones Superpave requieren que el asfalto tenga un valor igual o mayor a 0,3 para un tiempo de 60 s. Equipo de tracción directa DTT (Direct Tension Tester)

Desafortunadamente, la rigidez en fluencia como se mide en el ensayo BBR, no es suficiente para determinar la ductilidad de los ligantes bituminosos, ya que se han encontrado algunos asfaltos modificados muy rígidos en fluencia (más de 300 Mpa) que se alargan más que otros hasta alcanzar la rotura. Por esta razón, el grupo SHRP desarrolló un equipo que mide la deformación en rotura de ligantes a bajas temperaturas, denominado "tracción directa".

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SIMULA lA RGIDEl OESPUES DE 2 KQRAS t\ I,INA TEMP

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Figura 4.59. Relación deformación-tiempo en el ensayo BBR

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187

Tecnología del cemento asfáltico LOOA~TMO

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Figura 4.60. Valor m en el ensayo BBR

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Figura 4.61. Ensayo de tensión directa DTT

188


El DTT es utilizado únicamente cuando el stiffness del asfalto medido en el ensayo BBR está comprendido entre 3 00 y 600 Mpa a la temperatura mínima de servicio. El procedimiento de ensayo se encuentra especificado por la norma AASHTO TP3. En el ensayo de tracción directa se estira una probeta con asfalto en forma de pequeño hueso de perro, con velocidad de deformación lenta y constante, hasta que se rompe (Figura 4.61). La deformación en el momento de la rotura indica si elligante se comporta como frágil o dúctil a baja temperatura. La deformación en rotura se determina como un porcentaje respecto a la longitud original. El DTT utiliza muestras de ensayo que provienen del RTOF y/o PAV. El ligante debe tener una deformación de al menos 1% según las especificaciones Superpave.

10. La durabilidad de los asfaltos Todos los materiales bituminosos utilizados en la construcción de capas de rodadura asfáltica cambian con el tiempo de una u otra forma bajo la acción de factores externos e internos. La consistencia del asfalto cambia con la temperatura haciéndose más blando en tiempo cálido y más duro en tiempo frío. El asfalto expuesto a la intemperie se endurece constantemente en mayor o menor grado como resultado de la acción del clima y el tránsito o por un mal manejo durante los procesos de mezclado en planta y colocación en obra. Estas alteraciones van a influir en su comportamiento en obra, en su durabilidad (medida por el grado de resistencia a dichos cambios) y en su prematuro envejecimiento (cambios anómalos producidos por influencia externa e interna).

Definición de durabilidad de un cemento asfáltico La durabilidad de un cemento asfáltico se define como su capacidad para mantener las propiedades ligantes y cohesivas en la mezcla, antes y después de envejecido. Las cualidades del cemento asfáltico deben mantenerse a lo largo de la vida útil del pavimento


189

con el objeto de que cumpla la misión que tiene encomendada. A favor de esa inalterabilidad juega un papel importante la naturaleza del material, constituido por hidrocarburos de distintos grados de polaridad, y por el contrario, a favor de esta evolución juegan factores internos y externos. Entre los internos, el propio sistema coloidal, muestra una cierta tendencia a evolucionar hacia la gelificación con el consiguiente aumento de la dureza y fragilidad, mientras que las condiciones climáticas, la intensidad del tránsito, las características propias de la mezcla asfáltica diseñada y el proceso constructivo son factores externos que disminuyen la durabilidad delligante asfáltico e inciden en el comportamiento de la estructura de pavimento. La durabilidad de una mezcla asfáltica hace referencia a la capacidad que tiene para resistir la acción del tránsito y clima sin fisurarse, deformarse o desintegrarse, durante la vida útil de la estructura del pavimento, y está ligado a las propiedades fisico-químicas delligante, quienes a su vez, regulan su comportamiento reológico, además de las propiedades propias de la mezcla.

Factores que afectan la durabilidad La característica del cemento asfáltico es un factor de primordial importancia en la durabilidad de las capas de rodadura asfálticas, si los diseños de la estructura del pavimento y de la mezcla han sido los correctos y se ha realizado un buen control de calidad sobre el proceso constructivo. Existen seis factores que contribuyen al proceso de envejecimiento de un cemento asfáltico durante el proceso de mezclado y/ o servicio: • La oxidación. Es la reacción del oxígeno del aire con los componentes químicos del cemento asfáltico. La velocidad y la magnitud de la oxidación dependerán de las características del cemento asfáltico y de la mezcla asfáltica, así como de la temperatura del aire. • La volatilización. Es la evaporación de los solventes más livianos. Inicialmente, es función de la temperatura. No es un factor

190


que contribuya al envejecimiento a largo plazo del asfalto bajo las condiciones de servicio.

• La polimerización. Es una combinación de moléculas afines para formar enlaces débiles carbono-carbono en grandes cadenas lineales causando un endurecimiento progresivo del cemento asfáltico. No existe una evidencia científica de que sea un factor importante en el envejecimiento del asfalto en servicio. • La tixotropía. Es el endurecimiento progresivo por la formación de una estructura dentro del asfalto durante un período de tiempo, la cual puede ser destruida por recalentamiento o durante el servicio de la mezcla asfáltica. La tixotropía está asociada a pavimentos que tienen poco o nulo tránsito y es función de la composición química del cemento asfáltico. • La sinéresis. Es una reacción de oxidación mediante la cual los aceites menos viscosos fluyen hacia la superficie de la película de ligante, por lo cual el cemento asfáltico se endurece rápidamente. • La separación. Es la remoción de los aceites, resinas y asfaltenos que constituyen el cemento asfáltico, causado por una adsorción selectiva de agregados de alta porosidad. Todos estos factores que contribuyen al envejecimiento prematuro de un cemento asfáltico van a actuar en mayor o menor grado en las siguientes condiciones o etapas de trabajo: a)Durante el proceso de mezclado en la planta b )Durante la vida útil del pavimento Envejecimiento del cemento asfáltico durante el proceso de mezclado en la planta

Está bien identificado el endurecimiento que se pr6duce en los ligantes por efecto de su "largo" tiempo de permanencia a altas temperaturas en los tanques de almacenamiento, y sobre todo durante el proceso de mezclado, donde son pulverizados en caliente y colocados sobre la superficie mineral. Debido al espesor de pelí-


191

cula tan delgado y a las altas temperaturas a la que es sometido, el asfalto pierde fracciones volátiles. La operación de mezclado en planta y en caliente delligante asfáltico y los agregados, a pesar de ser un proceso de corta duración (alrededor de 30 segundos), es muy crítica debido al espesor tan pequeño de la película de asfalto que recubre la partícula de agregado (0,005 a 0,010 mm de espesor). El cemento asfáltico, una vez calentado en los tanques de almacenamiento, se ve sometido a un sobrecalentamiento producido por el contacto con los agregados. Mientras se mantienen grandes cantidades de cemento asfáltico a una temperatura elevada en los tanques de almacenamiento, no se presentan cambios sensibles en sus propiedades. Sin embargo, cuando se mezcla el asfalto caliente con los agregados también calientes extendiéndolos en películas delgadas sobre su superficie durante el proceso de mezclado, las condiciones son muy favorables a la pérdida de las fracciones más livianas, a la oxidación y a la adsorción-absorción de ciertos componentes por parte de los agregados. El control de las temperaturas del asfalto y de los áridos, así como la reducción al mínimo del tiempo de mezclado, disminuyen en gran parte, el riesgo de un potencial endurecimiento perjudicial. Durante el mezclado, tanto la evaporación como la oxidación son mucho más rápidas que a la temperatura del pavimento, así mismo, la naturaleza de las reacciones que se presentan a temperaturas altas como a temperaturas bajas son muy variables, lo que genera cambios en su comportamiento reológico. Proceso de envejecimiento del cemento asfáltico en el pavimento

Este es un proceso de larga duración. Aunque el cemento asfáltico es sometido a temperaturas moderadas, las características propias de la mezcla pueden llegar a afectar de manera irreversible su durabilidad. Una vez puesta en obra la acción de los agentes atmosféricos, sobre todo la acción del oxígeno, catalizada por la radiación ultravioleta de la luz solar, y la elevación de temperatura propician la oxidación de las moléculas más susceptibles y como consecuencia un envejecimiento del ligante. Los asfaltos tienen una gran capacidad para absorber la luz. La reacción de oxidación del asfalto catalizada por la luz (foto-oxidación), tiene lugar en los

192


primeros 5 micrones de película de asfalto expuesta. En ausencia de luz esta oxidación es más lenta y tiene lugar especialmente en el interior de la capa asfáltica. La velocidad de reacción de oxidación está influenciada por la temperatura del aire y es duplicada por cada 10°C de aumento de la misma, lo cual hace que la temperatura del aire sea un factor que incida en la velocidad y magnitud de la oxidación del cemento asfáltico. Los pavimentos más expuestos a la acción de la luz y aire serán los que se construyan en climas tropicales, por lo cual es recomendable que las mezclas asfálticas diseñadas tengan el mayor contenido de asfalto, compatible con sus características mecánicas, para proveer un mayor espesor de película de ligante, con lo cual el oxígeno tendrá un largo camino por difundir a través de la misma. Otro factor que provoca el endurecimiento del ligante asfáltico es la característica de los finos. Aunque no se ha comprobado que el incremento de finos durante la vida del pavimento cause un alto grado de rigidización del asfalto y la capa asfáltica, si se aumenta la viscosidad del asfalto, alterando muy poco sus características reo lógicas. De todos los factores descritos como causales de envejecimiento del asfalto, la principal causa de endurecimiento y fragilidad del asfalto con el tiempo es la oxidación atmosférica de ciertas moléculas del asfalto, por la formación de grupos funcionales que contienen oxigeno, altamente polares y de fuerte interacción química. Como resultado final, los ligantes presentan una mayor o menor evolución o envejecimiento. Dichas alteraciones van a modificar sus propiedades de flujo y su consistencia; el cemento asfáltico va perdiendo su poder ligante, se toma frágil y quebradizo permitiendo que el agua penetre a través de la película y desplace el asfalto con el consiguiente deterioro de la mezcla. En esta etapa la evaporación no es importante debido a las temperaturas moderadas que se presentan en la mezcla asfáltica y el alto peso molecular de los compuestos del asfalto. En servicio, el envejecimiento del cemento asfáltico es función del tiempo, la temperatura, el contenido de ligante asfáltico, la absorción del agregado, el espesor de película alrededor de las partículas y las características propias delligante asfáltico.


193

En este aspecto juegan un papel muy importante los controles que sobre el diseño de la mezcla y el proceso constructivo realicen los organismos técnicos encargados de los mismos. Se puede aumentar la durabilidad de una estructura de pavimento si aumentamos la durabilidad de la mezcla asfáltica mediante una adecuada compactación, minimizando el contenido de vacíos. Este factor, unido a un bajo contenido de cemento asfáltico, es quizá el que más contribuyen al envejecimiento del asfalto. Se debe evitar que el aire y el agua circulen libremente por la mezcla asfáltica compactada con el fin de disminuir los riesgos de que se presente un endurecimiento prematuro que conlleve a su rigidización y posterior fisuramiento por fatiga o cambios térmicos de la capa de rodadura asfáltica. Con base en lo anterior, se puede afirmar que la durabilidad de una mezcla asfáltica y por lo tanto de la estructura del pavimento dependerá de la resistencia del cemento asfáltico a endurecerse por oxidación, del contenido de vacíos con aire presentes en la capa asfáltica y del contenido de ligante.

Efecto del envejecimiento del cemento asfáltico en las propiedades reológicas Las propiedades reológicas del cemento asfáltico se ven alteradas en mayor o menor grado por los procesos de producción en planta y colocación en obra, lo que afectará el comportamiento de la mezcla asfáltica una vez esté sometida a la acción del clima y cargas del tránsito. El tiempo de envejecimiento del cemento asfáltico

El primer envejecimiento que sufre el cemento asfáltico se produce durante el proceso de mezclado con los agregados pétreos. Durante este 'proceso, el asfalto es expuesto durante un corto tiempo al aire y a la acción de temperaturas altas (alrededor de 135°C), presentándose cambios sustanciales en su comportamiento reológico: disminuye la penetración, aumenta su viscosidad y su punto de ablandamiento por la oxidación causada por el aire y la

194


pérdida de los solventes más volátiles. El proceso de envejecimiento continúa aunque a menor velocidad, durante los procesos de almacenamiento en silo, transporte, extendido y compactación de la mezcla asfáltica. Posteriormente, una vez colocada la mezcla asfáltica y abierta al tránsito, el proceso de envejecimiento continúa a una velocidad mucho menor durante los tres primeros años. Después de ello, el envejecimiento seguirá de manera más lenta a través del tiempo de servicio del pavimento, afectando en menor o mayor grado las propiedades reológicas del cemento asfáltico, dependiendo de la cantidad de vacíos, los cuales propician la entrada de aire, agua y luz. En la Figura 4.62 se puede observar una curva típica de la variación de la viscosidad con el tiempo para seis cementos asfálticos. Muchas investigaciones han tratado de evaluar la durabilidad del cemento asfáltico a través de ensayos de laboratorio muy sencillos y de carácter simplista como lo son la penetración a 25°C y la viscosidad a 60°C delligante y de las propiedades de la mezcla asfáltica como el porcentaje de vacíos. Los cambios en estas propiedades, considerados como factores que alteran el comportamiento de los pavimentos, se han representado a través de distintos modelos, de los cuales el más representativo es el hiperbólico, dado por la siguiente ecuación general: !1y

=

T/a+bT (1)

T/!1y =a+ bt (2) En donde: !1y

= cambio en las propiedades físicas (viscosidad y penetración) con el tiempo T o la diferencia entre un período de vida inicial y final definido.

T

=tiempo

A

= constante, la intersección con el eje de las coordenadas

B

= pendiente de la línea de la ecuación 2

De igual forma, el grado de envejecimiento con el tiempo puede ser cuantificado en términos del porcentaje retenido de la penetración o mediante el índice de consistencia, dados por las siguientes expresiOnes:

195

Tecnología del cemento asfáltico 4 3

.-· -· ---

2

--

-- ---- ---.--·-· .

U)

UJ U)

o

Q.

....u...

o

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(.)

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o

a

§ U)

2

ASFALTO 1 ASFALTO 2 ASFALT03 ASFALT04 ASFAL T05 ASFALTO 6

5

Figura 4.62. Variación de la viscosidad del cemento asfáltico a 60°C con el tiempo de servicio

01

-¡o

'd d ., penetración del asfalto envejecido lOO retem o e penetrac10n = x penetración del asfalto original

. . . viscosidad del asfalto envejecido , d' d 1n 1ce e envejecnmento = _______________::_ _ viscosidad del asfalto original

Ambos parámetros han sido utilizados para evaluar el envejecimiento de diferentes grados de cementos asfálticos y diverso origen.

196


La pérdida de las propiedades ligantes y la rigidización del cemento asfáltico por cambios en su composición química, han sido relacionadas con la aparición de fisuras en las capas de rodadura asfáltica. La viscosidad, la penetración y la ductilidad son las propiedades físicas que más se han correlacionado con este tipo de falla en las mezclas asfálticas. A continuación se presentan algunas de las conclusiones obtenidas de las investigaciones realizadas, y que tienen que ver con estas propiedades. a)En cuanto a la penetración: • Cuando la penetración del asfalto a 25°C está por debajo de 20, puede ocurrir un fisuramiento serio de la capa asfáltica. • Si la penetración está entre 20 y 30 puede presentarse alguna fisuración. • La mezcla presenta una alta resistencia al fisuramiento si es bien diseñada y la penetración del cemento asfáltico es mayor a 30. • De seguro se logrará una mayor durabilidad, si se utilizél: un asfalto blando, de tal forma que se obtenga una estabilidad mínima que evite el desplazamiento de la mezcla bajo la acción del tránsito. Obviamente, otros factores como los ya mencionados: espesor de la película de ligante, susceptibilidad térmica del asfalto, la ductilidad, porcentaje de vacíos, edad del pavimento, condiciones climáticas, entre otros, influyen en la relación penetración y fisuramiento. En la Figura 4.63 se puede observar una relación desarrollada por Kandhal, entre el tiempo y la penetración.

b)En cuanto a la ductilidad: A pesar de su baja reproducibilidad, es un ensayo utilizado por muchos investigadores para evaluar el comportamiento reológico del cemento asfáltico. Algunas conclusiones relacionadas con este parámetro son las siguientes: • La ductilidad es un valor que indica el estado físico-químico del sistema coloidal del cemento asfáltico.


197

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PAVIMENTO

(MESES)

Figura 4.62. Variación de la penetración con el tiempo de servicio

• Cuando la ductilidad del cemento asfáltico medida a 13 oc es menor de 5 cm se ha observado un alto grado de fisuramiento en los pavimentos. • Mezclas asfálticas elaboradas con asfaltos cuyas penetraciones se encuentren en el rango considerado normal (30-50) pero que tengan bajas ductilidades, tendrán un comportamiento pobre comparado con asfaltos que tengan la misma penetración y alta ductilidad. • Se han encontrado pavimentos que después de 7 años de servicio se encuentran fisurados y desintegrados, en donde el cemento asfáltico tenía muy bajas ductilidades a pesar de no haber tenido variaciones sensibles en la penetración.

198


• De igual manera, se ha encontrado un alto grado de stripping en asfaltos con ductilidades menores a 3 cm en climas fríos. • Bajas ductilidades del cemento asfáltico y una alta incidencia de la carga vehicular, están asociados con el fisuramiento longitudinal.

c)En cuanto a 'la viscosidad: • La viscosidad del cemento asfáltico a 60°C, tiene gran influencia sobre el comportamiento del pavimento durante los meses de verano, cuando la superficie alcanza valores cercanos a esa temperatura. • Una baja viscosidad puede llevar a que el asfalto fluya hacia el exterior o que se presenten ahuellamientos en la capa de rodadura asfáltica. Esto puede ocurrir para contenidos altos de ligante asfáltico. De allí que es necesario seleccionar un buen grado de cemento asfáltico para evitar dichos problemas. • Los índices de envejecimiento a una temperatura de 25°C, son utilizados comúnmente para correlacionar el comportamiento del pavimento con ensayos rutinarios, como por ejemplo, en el estado de Pennsylvania, se han observado desprendi!llientos generalizados de partículas en pavimentos asfálticos en los cuales el índice de envejecimiento del cemento asfáltico utilizado excedía a un valor de 12. En la Tabla 4.11 se pueden ver algunos valores de penetración y viscosidad de cementos asfálticos recuperados del pavimento relacionados con problemas de fisuración. Otro parámetro utilizado para evaluar el comportamiento del cemento asfáltico en servicio es el Índice de Flujo Complejo (C). Debido al envejecimiento del asfalto hay un cambio en su estructura coloidal que ocasiona variaciones en su comportamiento reo lógico. El comportamiento de los cementos asfálticos se puede describir mediante la ley de potencia de Waele Ostwald, la cual presenta la siguiente forma:

-e= K (dv/dyl

199


Tabla 4.11. Valores de la viscosidad y la penetración en cementos asfálticos recuperados después de varios años de servicio

CARACTERISTICA DEL CEMENTO ASFALTtCO

ESTADO OEL PAVIMENTO TIENDE AL

FISURADO

FISURAMfENTO Penetración (Hubbam y otros)

s20

30

Viscosidad a 25"C y 0,05 seg-1, (Flnn),MP

10-100

Viscosidad a 45"C y 0,005 seg-1 {Olckinson), MP

>5

Viscosidad a 25"C y 0,05 &eg* 1 (Potts. Schweyer ySmith}, MP

> 10

Víscosidad a 25"C y 0,05 seg-1 (AgnusdeL Masaaccesi), MP

40*45

Dt¡.ctilídad a 13"C (Doyle), cm

55

Ductilidad a 16 "C (Vallerga y Halitead), cm

donde: dv/dy : velocidad de deformación a un esfuerzo K C

't

: es una medida de la consistencia del material y es el índice de flujo complejo, que indica el tipo de flujo (Newtoniano, No Newtoniano).

El envejecimiento del cemento asfáltico produce una disminución del flujo complejo, debido al incremento de su grado de gelificación, generada por la formación de asfaltenos a expensas de los componentes aromáticos de los maltenos, traduciéndose en un incremento de su consistencia. Valores bajos de e indican un alto grado de alteración, que se reflejará en una alta consistencia, baja ductilidad y alta rigidez, incidiendo en su comportamiento en servicio.

200


Experimentalmente se ha encontrado que cementos asfálticos con valores del índice de flujo complejo mayores a 0,8 presentarán un buen comportamiento en servicio.

Métodos de ensayo para medir la durabilidad del cemento asfáltico Los objetivos primordiales de los trabajos de investigación sobre la durabilidad de los cementos asfálticos son: • Conseguir mejorar la durabilidad. • Desarrollar métodos de laboratorio relativamente rápidos y económicos que permitan realizar una estimación correcta de la durabilidad del cemento asfáltico al ser utilizado en un pavimento. Buscando el segundo objetivo existen muchas investigaciones, pero es poco probable, desarrollar un ensayo que permita predecir el comportamiento de un cemento asfáltico durante el mezclado y extensión en las mismas circunstancias que influyen en la vida útil del pavimento. Es dificil elegir la propiedad o propiedades fisicas del aglomerante que deben investigarse en los ensayos de durabilidad. La mayor parte de los investigadores han escogido la viscosidad, la ductilidad o la fragilidad como un índice de envejecimiento, pero es evidente que no puede confiarse en ningún ensayo, al menos que se haya hecho una correcta correlación con su comportamiento en obra. Los métodos utilizados para medir la durabilidad del cemento asfáltico se pueden dividir en dos categorías: los tradicionales y los nuevos métodos y criterios de evaluación. Los métodos tradicionales

Busca relacionar los resultados obtenidos en los ensayos rutinarios: penetración a 25°C, viscosidad a 60°C, punto de ablandamiento y película delgada.


201

Los nuevos métodos y criterios de evaluación Utilizan la tecnología desarrollada por SHRP. Además de estos métodos de ensayo, se puede hacer uso de otros, tales como: la espectroscopía de absorción infrarroja, la espectroscopía por resonancia magnética nuclear, la cromatografia de exclusión por tamaño y la cromatografia líquida de alto rendimiento.

Correlación entre la composición química y la durabilidad del cemento asfáltico Desde la década de los años 50, se han venido realizando estudios tendientes a desarrollar una correlación entre la composición química del asfalto y su comportamiento en servicio. Uno de ellos fue el realizado por Rostler y White, en el cual se tomaron 1 19 muestras de cemento asfáltico con un grado de penetración 85-100, determinándose su composición química utilizando el fraccionamiento Rostler. Con cada muestra se elaboraron mezclas con arena de Ottawa que se compactaron en moldes de 0,5 pulgadas de diámetro y 0,4 pulgadas de altura, las que posteriormente se sometieron a una prueba de abrasión. Rostler encontró que la durabilidad de los asfaltos estudiados se podía correlacionar mediante un índice de durabilidad, que relaciona a los distintos componentes malténicos del asfalto, según la siguiente expresión: (N + Al)/(A2 + P)

en donde: N

: Porcentaje de bases Nitrogenadas.

Al

: Porcentaje de las primeras acidafinas

A2

: Porcentaje de segundas acidafinas

P

: Porcentaje de saturados

Con base en este índice y en el comportamiento observado, se establecieron seis grupos de durabilidad (Figura 4.64).

202


,. A 1!

A

1.7

11

E

1.!5

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o 1.2 H +Al

Al ... ,.

1.0

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V

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"

o

811UI'OS DIE OUIIAIILIOAD

Figura 4.64. Correlación entre la composición química y la durabilidad del cemento asfáltico según Rostler

Posteriormente, Gotolski incluye a los asfaltenos (A), no tenidos en cuenta por Rostler y define un nuevo índice dado por la siguiente expresión: (N + Al + A2)/ (A + P)

Cementos asfálticos con un índice de durabilidad de Gotolski entre 1,3 y 2,6 tendrán una durabilidad aceptable. Estos índices pueden servir de guía en un estudio sobre durabilidad, pero no deben tomarse como valores absolutos. La evaluación de un cemento asfáltico se debe hacer de manera integral para poder llegar a conclusiones cercanas a la realidad, utilizando todas las herramientas que da la tecnología del asfalto.


203

11. Especificaciones de los cementos asfálticos En el año 1888, H. C. Bowen inventó un equipo similar al actual penetrómetro, con el fin de determinar la consistencia de los cementos asfálticos. Antes de la invención de Bowen, el método utilizado para determinar el grado de consistencia delligante consistía en masticarlo como goma de mascar. Después de muchas modificaciones de la máquina de Bowen, en el año 191 O aparece el penetrómetro como el principal medio para medir y controlar la consistencia del cemento asfáltico a 25°C. La Administración Federal de Carreteras, FHWA(en ese entonces Bureau of Public Road) desde 1901 y la sociedad americana de ensayos y materiales (ASTM) desde 1903, han utilizado el ensayo de penetración para controlar la consistencia de los cementos asfálticos. En 1918, la administración federal introdujo el sistema de clasificación por grados de penetración para diferentes condiciones de climas y aplicaciones delligante asfáltico. La Asociación Americana de Carreteras Oficiales (AASHO) publicó las especificaciones por grados de penetración en el año 1931. En la década de los sesenta, la FHWA, la ASTM, la AASTHO, la industria y un gran número de. estados propusieron clasificar los cementos asfálticos basados en la viscosidad a 60°C, buscando entre otros los siguientes objetivos: reemplazar el ensayo empírico de penetración por uno más racional como la viscosidad y poder evaluar la consistencia del asfalto en condiciones criticas de servicio, como lo es la temperatura máxima en la superficie del pavimento durante los días mas calientes de verano en muchos estados. De allí se desarrollaron varios grados de viscosidad de los asfaltos aplicables a distintas condiciones de trabajo. En esa misma década, cuando se desarrolló la clasificación de los cementos asfálticos por grados de viscosidad, el Departamento de Carreteras de California desarrolló nuevas especificaciones basadas en la viscosidad del asfalto envejecido a través del ensayo RTOF.

204


Sistema de clasificación según el grado de penetración En la Tabla 4.12 se pueden observar las especificaciones ASTM D 946, basadas en cinco grados de penetración: 40-50, 60-70, 85100, 120-150 y 200-300. El asfalto más blando es de grado 200300, muy utilizado en Canadá. Los cementos asfálticos de consistencia intermedia, grados 85-100 y 60-70 son los más comunes entre los ingenieros constructores colombianos. Esta clasificación ha tenido las siguientes ventajas: • La clasificación en grados de penetración se basa en el ensayo de penetración a una temperatura media de servicio del pavimento. A esa temperatura se pueden obtener mejores correlaciones con otras propiedades del cemento asfáltico a bajas temperaturas. • El tiempo de ensayo es relativamente corto. • Se puede adaptar fácilmente a las condiciones de campo, como indicador de una posible contaminación durante el transporte. Tabla 4.12. Especificación según el grado de penetración (ASTM D 946) GRADO DE PENETRACION

CARACTERlSTlCA <40-50

85-100

60·70

120·150

200-300

Mtn Max Min Max Mín Max Min Max Mtn Ma•

Penetración a 25' C, 100 g, 5 s

40

50

60

70

as

100 120 150 200 300

Punto de llama, • F (copa C!ev~land)

450

450

450

425

350

Ductilidad a 25 • C, 5 cmJmin,cm

100

100

100

100

100

Solunílldad en Tricloroetileno, %

99,0

99,0

99.0

99,0

99,0

55

52

47

42

37

50

75

100

100

Penetración retenida después del

ensayo TOF,% Ductilidad a 25 • Ca 5 cmlmin, después

del ensayo TOF, cm

-

205


• El costo del equipo utilizado para el ensayo es relativamente bajo. • Los límites de precisión del ensayo están muy bien establecidos. • Es un ensayo que permite obtener la susceptibilidad térmica del cemento asfáltico. Por otra parte, esta clasificación tiene las siguientes desventajas: • Es un ensayo que mide la consistencia del asfalto utilizando magnitudes no fundamentales. • El esfuerzo cortante aplicado durante el ensayo es alto. • El esfuerzo cortante varía durante el ensayo dependiendo del tipo de flujo de cada cemento asfáltico. • La similitud en la penetración a 25°C puede llevar a emitir afirmaciones erróneas sobre el comportamiento tanto a bajas como a altas temperatUras de servicio (ver Figura 4.65).

B -

SVSCfF'Ti!'l~L lOAD

\ERMICA MEDIA

C -

SUSC.!Pi!BII.A>ALl

t<: !I!MIC4

25 TEMPERATURA

(°C)

Figura 4.65. Susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos con igual grado de penetración

ALTA

206

Hugo León Arenas Lozano Tabla 4.13. Requerimientos para cementos asfálticos según el grado de viscosidad a 60°C

Nota: graduación basada en el asfa~o original Grado de viscosidad

Ensayo VíscocJdad a so•c. Poises

AC..2.5 250 ±50

AC-5

AC-10

500 ± 100 1000 ±200

AC-20

AC-40

2000 :± 400 4000 ± 800

80

110

150

210

300

Penetración a 25"C, 100 g, 5 seg, 1/10 cm, min

200

120

70

40

20

Punto de inflamación ·e (Copa abierta de Cle\leland), min

163

177

219

232

232

SolubilJdad en tricloroehleno, %, min

99,0

99,0

99,0

99,0

99,0

Vtscosidad a so• e, Paises, Ma)(

1250

2500

5000

10000

20000

Ductilidad a 25•c. 5 cmtmln, cm, mín

100*

100"

50

20

10

VIScocidaá a 135•c, eentistokes, min

Ensayos al res«luo de película ftna:

• El valor de la viscosidad no se puede establecer para conocer las temperaturas óptimas durante los procesos de mezclado y compactación.

Sistema de clasificación según el grado de viscosidad Este sistema basado en la viscosidad del cemento asfáltico original es el más utilizado en los Estados Unidos para la clasificación de estos ligantes bituminosos. En las Tablas 4.13 a 4.15 se muestran los requerimientos exigidos a los cementos asfálticos para clasificarlos en alguno de los grados de viscosidad a 60°C especificados por la norma ASTM D 3381. En las Tablas 4.13 y 4.14 se muestran los siguientes grados de cemento asfáltico basados en su viscosidad a 60°C: AC-2.5, AC-5, AC-10, AC-20, AC-30 y AC-40. La Tabla 4.15 muestra el sistema de clasificación basado en la viscosidad del asfalto envejecido a través

207

Tecnología del cemento asfáltico Tabla 4.14. Requerimientos para cementos asfálticos según el grado de viscosidad a 60°C Nota: graduación basada en el asfalto original Grado de viscosidad

AC-.2.5

Ensayo VlíiCOCidad a eo•c, Paises

250± 50

AC-5

AC-10

AC-20

AC-40

500 :± 100 1000:±200 Z000±400 4000±800

Viscocidad a 135•c, centístokes, min

125

175

250

300

400

Penetración a 2s•c. 1110 cm, min

200

1
80

60

40

Punto de ínfiamación •e (Copa abierta de Cleveland), mín

163

1n

219

232

232

Solubllídad en tricioroetileno, %, min

99.0

99,0

99.0

99.0

99,0

Víscosidad a 60"C, Poises, Max

1250

2&l0

5000

10000

20000

Ductilidad a 2s•c,

1oo·

WO"

75

50

25

100 g, 5seg.

Ensayos al residuo de pelicola fina:

5emtmin, cm, min

del ensayo RTOF. La especificación AASHTO M 226 se basa también en la viscosidad y es muy similar a la norma ASTM D 3381. La unidad utilizada para medir la viscosidad es el Poise. Un cemento asfáltico de grado AC-2.5 representa un ligante con una viscosidad de 250 poises a 60°C y es mas blando que uno de grado AC-40, el cual es un cemento asfáltico con una viscosidad de 4.000 poises a la misma temperatura. Otros requerimientos de la especificación son la penetración, la viscosidad a 135°C a 60°C, la ductilidad del residuo del ensayo al horno en película fina (TOF) y el punto de llama. La penetración sirve para regular la consistencia del cemento asfáltico a temperaturas medias de servicio, mientras que la viscosidad a 135°C a 60°C controla la consistencia a una temperatura cercana a la de mezclado y compactación. Todos estos requerímientos controlan la susceptibilidad térmica del cemento asfáltico (figura 4.66).

208

Rugo León Arenas Lozano Tabla 4.15. Requerimientos para cementos asfálticos según el grado de viscosidad a 60°C

Nota: graduación basada en el residuo de película fina rotativa (RTFO)*

Grado de visCOIIidad Ensayos

AR-1000

AR·2000

AR-4000

*250

ZUOOt500

140

2.00

275

400

550

63

40

25

20

20

45

50

52

1oo··

40 100-

75

75

75

Punto de inflamación ·e (Copa abierta de Cíeveland), min

205

219

227

232

238

Soluhílídad en tricloroetileno. %, min

99,0

99.0

99,0

99,0

99.0

Viscocidad a &~·c. Poises

1()()0

Vlscocidad a 135*C, centístokes, mín

AR-8000

AR-16000

80001:2000 16000+ 4000

Penetración a 2s•c, 100 g, 5 seg. 1110cm, min Porcentaje(%) de penetración respecto

al or¡ginal a 25•c. mm Ductilidad a zs·c. 5 cmlmtn, cm, min Ensayos al asfalto original:

* Se puede usar el ensayo de película delgada, pero el ensayo de película fina rotativa debe ser el de referencia ** Si la ductilidad es menor de 100, el material se aceptará si la ductilidad a 15,5"C es mínimo 100 a la velocidad de 5 an/min

La diferencia primordial entre las especificaciones dadas en la Tabla 4.13 y 4.14 (contenidas en la normaASTM D 3381) consiste en que los cementos asfálticos especificados en la Tabla 4.14 tienen menor susceptibilidad térmica. Los valores mínimos de penetración a 25°C y viscosidad a 135°C especificados para los grados de viscosidad de la Tabla 4.14, son mas altos que las especificaciones dadas en la Tabla 4.13. El sistema de clasificación utilizando los grados de viscosidad presenta las siguientes ventajas: • La viscosidad es una propiedad fundamental, algo independiente del tamaño de la muestra y del sistema de ensayo. • Es aplicable a un amplio rango de temperaturas del pavimento (25°C a 60°C).

209

Tecnología del cemento asfáltico T'<:!\IPER•\'!\.I'!A llilJA

F:SuRM!IENTO

U;t.IP t.lmA tH: $ERV1Cl0

TEMP AlTA OE Stl'MC!O

TEMP De MEZClADO Y CO!-.IPACW.l~

140

TEfvlPER;.\TURA

°F ......,.

Figura 4.66. Susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos, según el grado de viscosidad

• Se basa en la viscosidad del cemento asfáltico a la temperatura más alta que se puede presentar en la época de verano, en la superficie del pavimento. • Hay una mínima superposición con otros sistemas de medida (Figura 4.67). • Para su determinación, se pueden utilizar una amplia gama de equipos. • La susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos se puede estudiar fácilmente. • Los límites de precisión del ensayo están bit~n establecidos. Entre las desventajas de este sistema de clasificación se tienen: • El sistema de ensayo es ligeramente más costoso que el del penetrómetro.

210


Figura 4.67. Comparación de la clasificación por grado de penetración y grado de viscosidad

• Es dificil predecir el comportamiento a las temperaturas de servicio baja y media (Figura 4.66). • No es adecuado para controlar el fisuramiento a bajas temperaturas de servicio. • El tiempo de ensayo es relativamente largo. • La viscosidad del residuo del ensayo TOF puede variar considerablemente para cementos asfálticos del mismo grado. Por ejemplo, dos asfaltos de grado AC-20, de origen diferente, pueden tener viscosidades de 3.000 y 10.000 poises después de envejecidos en un ensayo TOF, y comportarse diferente durante y después de la construcción.


211

Sistema de clasificación AR Se basa en la viscosidad del cemento asfáltico envejecido (AR) mediante el ensayo de película fina rotativa (RTOF). Este sistema es utilizado por algunos Estados en el oeste de los Estados Unidos. En la Tabla 4.15 de la especificación ASTM D 3381 se muestran los requerimientos exigidos para los grados AR-1.000, AR-2.000, AR4.000, AR-8.000 y AR-16.000. Un cemento asfáltico de grado AR2.000 representa a un ligante asfáltico en donde la viscosidad del residuo es de 2.000 poises a 60°C. Las especificaciones también requieren conocer la penetración a 25°C y la viscosidad a 135°C. Este sistema de clasificación presenta las siguientes ventajas: • Evalúa las propiedades del asfalto una vez terminado el proceso de mezclado en planta. • Se puede esperar que los cementos asfálticos que tienen el mismo grado pero diferente procedencia, tengan igual comportamiento en servicio. De otra manera, el sistema de clasificación AR presenta los siguientes inconvenientes: • Es un sistema utilizado regionalmente. • Requiere la utilización de más equipos de ensayo (RTOF). • El tiempo de ensayo es relativamente largo, pues es necesario obtener primero la muestra de asfalto envejecida. • Es difícil detectar posibles contaminaciones, ya que no se conoce la consistencia del asfalto original. • El asfalto envejecido puede no llegar a representar las condiciones que se presentan en el proceso de mezclado en planta.

Especificación Superpave para los cementos asfálticos Las especificaciones para ligantes asfálticos, ya sea cementos asfálticos y asfaltos modificados con polímeros u otro tipo de aditivo, fue uno

212


de los productos obtenidos del Programa de Investigación de Asfaltos (Asphalt Research Program) perteneciente al Programa Estratégico de Investigación en CatTeteras SHRP (Strategic Higway Research Program) de los Estados Unidos de Norteamérica. Estas especificaciones que se pueden observar en la norma AASHTO MPI-93, incluyen las propiedades fisicas y reológicas medidas a través de los equipos SHRP que se describieron anteriormente. Las especificaciones ASTM y AA.SHTO, vigentes en gran parte del mundo basadas en medidas de la penetración, viscosidad, punto de ablandamiento y ductilidad del cemento asfáltico, presentan diversos inconvenientes desde el punto de vista de la reproducción de las condiciones reales de servicio a la que estará sometido el cemento asfáltico como elemento importante en una mezcla asfáltica. Las especificaciones para cementos asfálticos antes mencionadas, basadas en grados de penetración o viscosidad, presentan las siguientes desventajas: • En ningún momento incluyen medidas de propiedades fundamentales del asfalto que pueden relacionarse con el comportamiento en servicio. • Para conocer el comportamiento del cemento asfáltico se basan en la medida de la viscosidad capilar a 60°C, la cual no es adecuada en algunos tipos de ligantes, sobre todo en asfaltos modificados con polímeros. • No existen parámetros basados en ensayos que puedan caracterizar las propiedades del asfalto a bajas temperaturas. • Mediante el ensayo de ductilidad se busca evaluar la compactibilidad interna delligante, el cual como se estudió anteriormente es de dudoso significado y bajo grado de repetibilidad. • Sólo se tiene en cuenta el envejecimiento que sufre elligante en la planta, pero se desconoce el grado de envejecimiento que sufrirá en servicio. • Están basados en la medición de la susceptibilidad .térmica mediante el PVN, IP o SVT, lo cual resulta etTóneo, dado que


213

alguno de ellos, no tiene en cuenta los efectos de temperatura y carga por separado. Estrategias del grupo SHRP para obtener las especificaciones

Las estrategias que siguió el grupo para elaborar las especificaciones para los cementos asfálticos, asfaltos modificados, asfaltos reciclados, soplados, oxidados, etc., fueron las siguientes: • Identificar los modos de falla más importantes de los pavimentos asfálticos relacionadas con las propiedades delligante asfáltico. • Identificar las propiedades fundamentales de los ligantes bituminosos asociadas con los modos de falla más críticos en los pavimentos asfálticos. • Definir las temperaturas máximas y mínimas de diseño y tiempos de aplicación de carga en servicio. • Seleccionar métodos de ensayos que sean capaces de medir propiedades fundamentales del asfalto. • Seleccionar ensayos substitutos, cuando sea necesario, para las especificaciones. Con base en lo anterior, las nuevas especificaciones para ligantes bituminosos están basadas en parámetros que pueden ser correlacionados con los principales modos de falla de un pavimento flexible bajo las condiciones de tránsito y ambientales reinantes en el lugar. Principios generales de las nuevas especificaciones SHRP para ligantes bituminosos

En la Tabla 4.16 se pueden ver los requerimientos exigidos por la norma AASHTO MPI -93. Como diferencia importante con las otras especificaciones, se tiene que las propiedades de los asfaltos se miden a distintas temperaturas de acuerdo al clima de la región en donde se realiza la obra, mientras que los valores límites requeridos permanecen constantes (Figura 4.68). Por ejemplo, un asfalto de grado PG 64-28 es aquel que se puede usar en una región en

N

Tabla 4.16. Especificación AASHTO MPI-93 para cementos asfálticos

.....

.¡;;.,

ORADO DE eOMPORTAMIIlNTO

34140146

Tempcmtura de diseno máxima en el pavimento. 1 promedio 7 dfns, •e Tempcmlura de diseno mfnimn en el pavimento. °C

PG52-

PG4610

16 122 J28 1 34 140 146

<46

f l l

16 122

A "'A

1'1 A

:1

28 1 J•i '140

10 116

<58

<52 o

PG64-

PG5ll-

;¡;

A

l l

"'A

~

22

p8

PG7034 140

o

A "'A ~

i

34 140

;t,

A

l

o

A "'A

1'1

l'l Á

A

----

PG82-

JO 116 1 22 1 28-134 10

<70

<64

i f l

ps

10 II6 122

PG76-

16 J22J28 IJ4

<76

f l

o

A "'A

<82

~~EJ~·A A A

o

A

x

~

i

;¡;

A

ASFALTO ORIGINAL

Punto de inflamación m(nima.oc

Viscosidad, ASTM D 4402: Máx: 3 Pa.s, Temperatura ensavo. oc Ensayo de corte dinámico TP5: G•/scn l;. mtnimo, 1.00

~

230

0..

o t-<

135

(D

52

46

64

58

70

76

g-

82 1

kPa Temperatura de ensayo

~g

Cll IOmdls, •e ENSAYO SOBRE EL RESIDUO DEL RTOF (T 240) Pérdida de masa, máxima, % Ensayo de corte dinámico TPS: o•t.scn 6, mtnimo, 2.20 kPa, Tcmpcmturn de ensayo @ JOmdls, •e

1.00 46

58

52

Cll

64

70

t-< o

82

76

N

§

o

ENSAYO SOBRE EL RESIDUO DE ENVEJECIMIENTO A PÍ{ESION Temperatura de 90 envejecimiento, •e Ensayo de corte dinámico 10 7 4 TP5: o• sen 6, Máx, 5.000 kPo, Temperatura de ensayo @ JOmd/s, •e Envejecimiento ffsico Módulo de rigidez, TPI: S, -24 ·30, -36 Máximo, 300 Mpo m, onfnimo, 0.300 Tcmperalura de ensayo @ 60 s, •e Tracción direcla, TP3: Alnrgnmicnlo a rotura, -24 .Jo -36 mfnimo, 1.0% Tempcmlura de ensavo @ 1.0 mmfmin, •e

lOO

lOO

90

100(110)

100(110)

100(110)

r-·

25

22

19

16

13

lO

1

25

22

19

16

lJ

31

28

25

22

19

16

34

31

28

25

22

19

21

34

3t

28

25

40

37

34

31

28

REPORTAR

o

·6

-t2

-18 ·24

·36

·6

-12 -18 -24

-JO

o

-6

·12 -t8 -24

·30

o

·6

-12 -18 -24 -30

o

·6

·12

·18 -2·1

o

-6

-12 -18 -24

o

-6

-12

-18 -24 -30 -36

·6

-12 -18 -24

-JO

o

.6

-12 -18 ·24

·lO

o

·6

-!2 -18

o

·6

-12 :J-24

o

·6

-12 -18 -24

·30

·24

·30

215

Tecnología del cemento asfáltico GRADO DE COMPORTAMIENTO

PG52 -10

·16

·22

Temperatura de dt&e~o máxima en el pavimento, promedio 7 días, •e

-28

PG58

·34

-46

-40

-16

·22 ·28

52

58

Temperatura de dise~o mlnima en el pavimento,

·e

·10

-16

·22

·28

-34

40

-46

-22 -28

·16

ASFALTO ORIGINAL Punto de inflamación minima, •e

230

Viscosidact ASTM D 4402: Máx: 3 Pa s, Temperatura ensayo,

·e

135

Ensayo de corte dinámico TP5: G•/sen

o. mínimo. 1.00 kPa

Temperatura de ensayo@ 1Orad/s,

.... .

·e

"'-.

Requerimiento permanece

constante

52

'v

.1' 58

Temperatura de ensayo cambia

Figura 4.68. Especificación Superpave para cementos asfálticos

donde la máxima temperatura promedio del pavimento durante siete días es 64°C y la mínima temperatura de diseño es de -28°C. Por razones de seguridad, durante el calentamiento en planta, se , establece un valor mínimo del punto de llama de 230°C para todos los asfaltos. De igual manera, para asegurar una buena trabajabilidad delligante asfáltico la especificación fija un valor máximo para la viscosidad a 135°C de 3 Pa.s, para todos los grados de asfalto, aunque da la posibilidad de obviarlo si se asegura un buen bombeo y manejabilidad durante el proceso de mezclado. Para evitar un envejecimiento excesivo por volatilización durante la etapa de mezclado en planta, colocación y compactación en obra se exigen para todos los ligantes un valor máximo de pérdida de peso del 1% en el ensayo RTOF. Se han definido los parámetros reológicos que controlan las siguientes fallas en la capa asfáltica: fisuramiento o cracking por

216


fatiga, deformaciones permanentes (ahuellamientos o rutting) y el fisuramiento por bajas temperaturas.

• Deformaciones permanentes (ahuellamientos). Esta falla se presenta a altas temperaturas de servicio, causada por la acumulación de deformaciones de tipo plástico en la mezcla asfáltica como resultado de las repeticiones de carga del tránsito. Las propiedades del cemento asfáltico, del propio agregado y características de la mezcla influyen de manera importante en esta falla. El grupo SHRP, basado en medidas de la magnitud de esas deformaciones no recuperables a altas temperaturas en el cemento asfáltico, sometido a tiempos de aplicación de carga correspondientes con el tránsito y su correlación con los valores de las deformaciones permanentes en la mezcla asfáltica, definió al factor G*/sen d, como una medida de la rigidez delligante o resistencia al ahuellamiento a altas temperaturas de servicio. Este factor es medido a la temperatura máxima esperada del pavimento y a una frecuencia de 1,59 Hz, que corresponde al tiempo que tarda un camión en pasar por un punto viajando a una velocidad de 80 KPH (50 MPH). Como se muestra en la Figura 4.69 el factor de ahuellamiento debe ser al menos igual a 1,O KPa para el cemento asfáltico original y 2,20 KPa para el asfalto envejecido en el ensayo RTOF. Ambos parámetros medidos con el equipo DSR estudiado anteriormente.

• Fisuramiento por fatiga de las capas asfálticas. La fatiga de las capas asfálticas se produce, por lo general, al final de la vida útil de un pavimento, lo que requiere que el asfalto a ensayar sea sometido a envejecimiento a largo plazo mediante el ensayo PAV estudiado con anterioridad. La especificación usa el factor de fatiga G* sen d, el cual representa la resistencia a la fatiga del cemento asfáltico. Como se muestra en la Figura 4 . 70 la especificación tiene un límite máximo de 5.000 kPa para el factor G* sen d del cemento asfáltico envejecido a través de los ensayos PAV y RTOF, considerando una temperatura media de servicio.

217


GRAOO DE COMPORTAMIENTO Temperatura de disei'lo maxima er1 el pavimento, promedio 7 dias, •e Temperatura de dis.el\o minlma en el pavimento,

·e

ASFALTO ORIGINAl. Punto de lnflamaci6n minima. •e Víacosidad,ASTMO 4402: Máx: 3 Pa.s, Temperatura ensayo,

o.

Ensayo de corte dinámico TPS; G•fsen mlnimo, 1,00 kPa Temperatura de ensayo@ 10 radls. •e ENSAYO SOBRE EL RESIDUO OEL RTOF {T 2<40)

•e

-

' '"" /

Pérdida de man, maxima, % Ensayo de corte dinámico TPS: G•/sen {), mlnimo, 2,20 kPa, Temperatura ele ensayo@. 10 rad/s, •e

Requerimiento para controlar el ahueMamiento

¡/

Figura 4.69. Factor de Ahuellamiento Superpave

• Fisuramiento térmico por contracción a bajas temperaturas. Esta falla, que se manifiesta con la aparición de fisuras transversales en la superficie del pavimento, es evaluada mediante los ensayos Bending Beam Rheometer y el Direct Tensión Tester. La Figura 4. 71 muestra los requerimientos de la especificación para resistir el fisuramiento a bajas temperaturas de servicio. La rigidez del asfalto bajo condiciones de creep no debe ser mayor a 300 MPa y el valor de la pendiente de la curva S(t) vs. tiempo a los 60 segundos (m) debe ser mayor de 0,30. Un valor alto de m es deseable, ya que mientras la temperatura cambia y se acumulan tensiones térmicas, el stiffness también cambiará relativamente rápido, aunque si el stiffness del cemento asfáltico bajo condiciones de creep excede los 300 MPa, elligante se considera aceptable si la deformación en la falla es más qué el 1% cuando se ensaya a través del DDT; en este caso el ligante se puede estirar más y las fisuras son menos probables de que se presenten. El valor de m debe ser satisfecho en ambos casos.

218

Rugo León Arenas Lozano Temperatura de envejecimiento, •e Ensayo de corte dinámico TP5: G'" sen ¡¡ , Máx, 5. 000 k.Pa, Temperatura de ensayo@ 10 radls, •e Envejedmiento ftsioo Módulo de rigide.t, TP1: S, Máximo, 300 Mpa m. mínimo, 0,300 Temperatura de ensayo@ 60 s, •e

Requerimiento

para controlar el fisuramíento por fatiga

Tracción directa, TP3; Alargamtenlo a rot!Jra, mln¡.. mo, 1.0% Temperatura de ensayo@ 1,0 mmlmin,

·e

Figura 4.70. Especificación Superpave para el control del fisuramiento por fatiga

La temperatura de ensayo a la cual se mide el stiffness o temperatura crítica se definió después de llegar a la conclusión de que todos los cementos asfálticos muestran igual dependencia con la temperatura por debajo de la temperatura vítrea de transición. Por lo tanto, en lugar de medir la rigidez a dos horas a la temperatura mínima del pavimento, .se pueden obtener los mismos resultados a 60 segundos y a la temperatura mínima más l0°C. La rigidez a 2 horas y a la temperatura mínima es lo que se conoce como "Limiting Stiffness Temperature" que se utiliza para predecir el fisuramiento térmico a bajas temperaturas. Esta temperatura es en la que se alcanza un stiffness dado durante un determinado período de tiempo. A temperaturas más bajas que la temperatura límite, la mezcla asfáltica se fisurará. Con sólo una vez que la temperatura baje de la crítica se producirá el fisuramiento por baja temperatura. En la especificación se establece una rigidez límite medida a la temperatura mínima del pavimento más 10°C. Procedimiento para clasificar y controlar un asfalto según la especificación SHRP

Para analizar un determinado asfalto según las especificaciones SHRP se pueden presentar dos casos: • Cuando se requiere clasificar un asfalto según la especificación. Labor típica en los laboratorios de investigación.

219


• Verificar si elligante cumple con un determinado grado de clasificación.

a)Clasificación de un asfalto según la especificación. Esta actividad es común realizarla en los laboratorios de investigación de materiales. Por lo general, se realiza por tanteos y dependiendo de los resultados obtenidos se van programando los ensayos siguientes. Un cemento asfáltico puede cumplir al mismo tiempo con distintos grados de comportamiento. Un cemento asfáltico PG 6428 cumple a su vez con los requerimientos para un PG 6422 y PG 64-16 (ver Tabla 4.16), ya que todos ellos (PG 64-) tienen los mismos límites para G*/sen 8. Sin embargo, lo que hace la diferencia son las propiedades a temperaturas medias y bajas. Un asfalto que cumple con los requerimientos de viscosidad y G*/sen 8 a 64°C antes y después de envejecido a través del RTOF puede perfectamente cumplir con los requerimientos a temperaturas menores, tales como 58°C y 52°C. Esto significa que un asfalto PG 64puede ser también un PG 58y PG 52-, sin embargo a temperaturas bajas e intermedias esto se complica. El factor G* sen 8 controla el grado del asfalto a bajas temperaturas. Un asfalto PG 64-28 tiene un factor G* sen 8 menor de 5 MPa a 22°C, sin embargo no puede ser clasificado como PG 58-

Temperatura de envejecimiento.

·e

Ensayo Cíe corte dinámico TPC G• sen ó, Malo:, 5.000 kPa. Temperatura de ensayo@ 10 rad/s, •e Enve¡eeimiento fisico

Requerimiento para controlar el

Módulo de rigidez, TP1: S. Máximo. 300 Mpa m, mlnimo, o300 Temperatura de ensayo @ 60 s, ·e

cambiOs bruscos

fisuramlenlo por de temperatura

Tracción directa, TP3: Alargamtento a rotura, mini· mo, 1 0% Temperatura de ensayo@ 1.0 mmfmín,

·e

Figura 4.71. Especificación Superpave para controlar el fisuramiento por cambios de temperatura

220


28, dado que si bien hubiera pasado los controles de viscosidad y G* /sen 8, el valor de G* sen 8 debe pasarlo a 19°C en lugar de 22 °C, y se sabe que cuando la temperatura disminuye el módulo se incrementa en un valor mayor al límite especificado. El asfalto PG 64-28 probablemente cumpla con los requerimientos exigidos a los grados PG 52-16 y PG 52-1 O por las razones antes mencionadas. Es importante destacar aquí que para los PG52 se les requiere envejecer con PAV a menor temperatura. Por lo tanto para saber ~en qué grado un asfalto PG 64-28 cumple con uno PG52 se debe envejecer de acuerdo con dichos requerimientos. En síntesis, al recibir un asfalto en el laboratorio para su clasificación aplicando la especificación SHRP se requiere realizar los siguientes ensayos: Al cemento asfáltico original: punto de inflamación en la copa Cleveland, la viscosidad Brookfield a 135°C, determinación del factor G*/sen 8 a la temperatura de ensayo (DSR). Al cemento asfáltico después de ser envejecido utilizando el RTOF: Pérdida de masa, determinación del factor G*/sen 8 (DSR). Al cemento asfáltico después de envejecido con el PAV: Determinación del factor G* sen 8 (DSR), la rigidez S(t) y m (BBR), la deformación a rotura (DTT) y el índice de endurecimiento: S(t) y m a 1 y 24 horas (BBR) b )Comprobación del grado de un asfalto según SHRP. En este caso, se trata de comprobar si el asfalto recibido en obra con un grado definido realmente cumple con él. Estos ensayos son comunes en los laboratorios de control de calidad localizados en obra y realizados por el contratista. Para corroborar el grado sólo se necesita realizar los ensayos especificados a las temperaturas correspondientes.

221


Especificaciones de los cementos asfálticos producidos en Colombia En nuestro país, los cementos asfálticos que se utilizan para la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente y en planta, se encuentran dentro de las exigencias de calidad dadas por las normas de la Sociedad de Ensayos y Pruebas de Materiales ASTM. Hasta hace algunos años se exigía el cumplimiento de la norma ASTM D946 basada en el ensayo de penetración a 25°C. Actualmente, se combina con la norma ASTM D-3381 la cual se basa en un ensayo más racional como lo es el de viscosidad a 60°C. En la Tabla 4.17 se puede ver la clasificación de los asfaltos que se producen en las refinerías colombianas. Es de anotar que esta clasificación se realizó después de un amplio estudio que realizaron la Empresa Colombiana del Petróleo, Ecopetrol, y la Universidad del Cauca de los diferentes cementos asfálticos que se podían producir con los crudos disponibles. Tabla 4.17. Especificaciones de los cementos asfálticos colombianos según las normas ASTM

ESPECIFICACION ASTM

CEMENTO ASFALTICO OE REFINERIA CARiAGENA

SAARANCABERMEJA

APIAY

ASTM0-946

AC 60-70

AC 60-70, AC 85-100

AC 60-70

ASTM0-3381

AC 10,AC20

AC20

AC20

Especificaciones exigidas por el Instituto Nacional de Vías de Colombia

El Instituto Nacional de Vías definió de manera arbitraria las especificaciones que deben cumplir los cementos asfálticos a utilizar en la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente, basados en los ensayos tradicionales de penetración, punto de ablandamiento y ductilidad, sin tener en cuenta el ensayo de viscosidad (ver Tabla 4.18).

222

Hugo León Arenas Lozano Tabla 4.18. Especificaciones Invías que deben cumplir los cementos asfálticos en Colombia

CARACTER!STICA

NORMA DE

80-100

60-70

ENSAYOINV

MIN

MAX

MIN

MAX

PENETRACION (25"C, 100 g, 5 s) 0,1mm

E-706

so

70

80

100

INDICE DE PENETRACION

E-724

-1

+1

PERDIDA POR CALENTAMIENTO EN PEUCULA DElGADA (163"C, 5 h) %

E-721

DUCTIUOAD (25"C, 5 cmlmln) cm.

E-702

PENETRACION DEl RESIDUO LUEGO DE LA PERDIDA POR CALENTAMIENTO, EN% DE LA PENETRACION ORIGINAl% SOLUBILIDAD EN TRICLOROETILENO, %

E-713

CONTENIDO DE AGUA, %

E-704

_,

1.0

1.0 100

100

75

75

99

99 0.2

"'1'1

0.2

Evaluación de los asfaltos colombianos utilizando la tecnología SHRP

La Empresa Colombiana del Petróleo Ecopetrol, a través de su centro de investigación, el Instituto Colombiano del Petróleo (ICP), adquirió los equipos SHRP con el fin de proveer al usuario de una mayor información de su producto. En las Tablas 4.19, 4.20 y 4.21 se pueden ver los grados SHRP de los cementos asfálticos que produce Ecopetro.i en sus tres centros de producción: Barrancabermeja, Apiay y Cartagena.

223


Tabla 4.19. Características SHRP del cemento asfáltico de Barrancabermeja

GRAOO DE COMPORTAMIENTO

VALORES QUE NO CUMPLEN

PG-64

..

Temperatura de di$el\o máxima en el pavimento. promedio 7 dias,

:e

<64

Temperatuta de diseño mlnima en el pavimento,

·e

'e

>. 22"C

ASFALTO ORJGINAl. Punto de inflamación mínima,

•e

320

Viscosidad, ASTM O 4402: Máx: 3 Pa.s, Temperatura ensayo, •e

0,346

Ensayo de corte dinámico TP5: G•/sen 15, mínimo, 1,00 kPa Temperatum. de ensayo@ 1Oradia, •e AASTHOT'P5

@l:WC

@7o ·e

1,34

0,66

ENSAYO SOBRE El RESIDUO DEL RTOF (T 240)' 0,405

Ensayo de corte dinámico TP5. G•tsen a, mínimo, 2,20 kPa, Temperatura de ensayo@ 10 rad/s,

·e

AASTHOTPS

@7o•c 1,23

2.65

ENSAYO SOSRE EL RESJDUO DE ENVEJECIMIENTO A PRESION Temperatura de enveíecimiento. •e EnS3yo de corte dmémieo TP5: G•tsen 5, Máx, 5.000 kPa. Temperatura de ensayo@ 10 rad/s,

100

•e

@ 19•e

@ 15•c

4327

6192

BSR

@ ·12"C

@·HI"C

Rigidez@ 60s. S"' 300 Moa má:x. m= 0.30 m/n ASSTHOTP1

S~:

AASTHOTPS

CLASIFICACIÓN

152,7

m=0.39

PG-64-22

S~~:409

m"'0.37

224

Rugo León Arenas Lozano Tabla 4.20. Características SHRP del cemento asfáltico de Cartagena

GRADO DE COMPORTAMIENTO

PG-64

Temperatura de diseño máxima en el pavimento, promedio 7 días. •e


< 64 •e

Temperatura de diseho mlnima en el pavimento, •e

> • 22"C

ASFALTO ORIGINAl Punto~

inflamación mlnima,

•e

2Mi

VISCOsidad, ASTM O 4402: Máx:. 3 Pa.s, Temperatura ensayo, •e

0.305

Ensaya ~ corte dinámico Tf'5: G•Jsen 3 , minimo,

1.00 kPa Temperatura de ensayo @ 1Oradls •. ·e AASTHOTP5

@64"C

@7o·c

1,24

0,38

ENSAYO SOBRE EL. RESIDUO DEL RTOF (T 240) Pérdida de masa, rrubima, % Ensayo de corte dinámico TP5: G"!sen ó. minímo, 2.20 kPa. Temperatura de ensayo @ 1Orad/s, •e

0.55

@ 1o·c

@64"C

1,49

AASTHOTP5

ENSAYO SOSRE EL RESIDUO DE ENVEJECIMIENTO A PRESION Temperatura de envejecimiento, ·e

100

-

Ensayo de corte dinámico TP5: G•/sen 3 , Máx,

5 000 kPa. Temperatura de ensayo @ 1Oradls, •e AASTHOTP5

@25'C

@22"C

3681

5349

-1s•c

BBR

@ -12'C

Rigidez @60s. S"' 300 Mpa máx, m= 0,30 m/n

S: 253

S:::S24

ASSTHOTPt

m= 0,35

m= 0,36

CLASIFICACION

@

. PG -64-22

225

Tecnología del cemento asfáltico Tabla 4.21. Características SHRP del cemento asfáltico de Apiay

GRADO DE COMPORTAMIENTO

PG-64

Temperatura de disello maxima en el pavimento. promedio 7 días, •e


< 64 •e

Temperatura de díset'lo mínima en el pavimento,

•e

,. • 22•c

ASFALTO ORIGINAL Punto de inflamacÍÓf'l mJnima, ·e

237

Víscosidad,ASTM O 4402: Máx: 3 Pa.s, Temperatura ensayo. •e

Ensayo de corte dinámico TPS: G•tsen ó, miniroo, 1.00 kPa Temperatura de ensayo @ 1Orad/s, ·e

MSTHOTP5

0.350

@64·e

@70"e

2,2

0,92

ENSAYO SOBRE EL RESIDUO DEL RTOf (T 240) Perdida de masa, máluma. %

1,01

Ensayo de corte dínémico TP5: G*/sen S . mlnimo, 2.20 kPa, Temperatura de ensayo@ 10 radt11, ·e

MSTHOTPS

@EWe

@70"C

5,38

ENSAYO SOBRE El RESIDUO DE ENVEJECIMIENTO A PRESION Temperatura de enw¡ecimiento,

•e

Ensayo de corte dinámico TP5: G"'lsen l\, MIU, 5 000 ltPa, Temperatura de enuyo@ 1orad/$, •e MSTHOTPS BBR Rigidez@ 60S, S= 300 Mpa max, m.., 0.30mln ASSTHOTP1 CLASIFICACION

100

@2s·c

@22"C

4300

6000

@-6"C

@·12"C

S= 147,0 ffi"'0.43

$=325 m"'0,38

PG-64-16

226


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227

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CapítuloS

LOS ASFALTOS LÍQUIDOS OCUTBACKS

j

j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j

l j j j j

La forma más frecuente de fluidificar un cemento asfáltico para manejarlo durante los procesos de bombeo, mezclado y colocación en obra, es calentándolo a una temperatura alrededor de 135°C. Existen otros métodos, como su dilución mediante solventes del petróleo previamente seleccionados, obteniendo los asfaltos líquidos o cut-back, también denominados asfaltos rebajados o fluidificados. El uso de este tipo de ligantes bituminosos se ha restringido en Colombia debido a los altos costos de los solventes y por el alto grado de contaminación ambiental. El principio de aplicación de estos ligantes consiste en que una vez colocado, los solventes inician el proceso de volatilización dejando al cemento asfáltico en condiciones óptimas para el cumplimiento de su objetivo.

l. Definición Según el Instituto Norteamericano del Asfalto, el asfalto líquido se define como: "material asfáltico cuya consistencia blanda o fluida hace que se salga del campo en que se aplica el ensayo de penetración, cuyo límite máximo es 300". Están compuestos por una base asfáltica (cemento asfáltico) y un fluidificante volátil, de naturaleza compatible con la del cemento asfáltico con el fin de evitar la precipitación de asfaltenos. Lo ideal es utilizar solventes que procedan del mismo crudo asfáltico. El fluidificante que. puede ser bencina, kerosene o aceite, se adicio-

232


na para proporcionar al cemento asfáltico la viscosidad necesaria para poderlo mezclar con los agregados pétreos a temperaturas bajas (alrededor de 70°C). Una vez aplicados, los solventes o fluidificantes se evaporan (proceso de curado) en un tiempo más o menos largo dependiendo de su naturaleza, quedando como residuo el cemento· asfáltico, el cual envuelve y proporciona cohesión a las partículas de agregado.

2. Clasificación de los asfaltos líquidos De acuerdo con el mayor o menor grado de volatilización del fluidificante, se pueden fabricar tres tipos de asfalto líquido: • los asfaltos líquidos de curado rápido RC, • los asfaltos líquidos de curado medio MC, y • los asfaltos líquidos de curado lento

se.

El asfalto liquido de curado rápido El fluidificante utilizado para su fabricación es la bencina o nafta, que tiene como característica la de ser un diluyente liviano de alta volatilidad y un punto de ebullición bajo. Se designa con las letras RC (rapid curing) seguidas por un número que indica su grado de viscosidad en centistokes. De acuerdo con esto, se pueden obtener los siguientes asfaltos RC: GRADO

RESIDUO ASFALTICO EN VOLUMEN

RC-70

55%

RC-250

65%

RC-800

75%

RC-3. 000

80%

En Colombia, hasta hace algunos años, se utilizó el RC-250 para la elaboración de mezclas en frío y tratamientos super:ficiales.


233

El asfalto líquido de curado medio Su fluidificante es un diluyente de grado de volatilidad media y punto de ebullición del kerosene. Se designa con las letras MC (medium curing) seguidas por un número que indica su grado de viscosidad en centistokes. Los asfaltos MC son los siguientes: GRADO

RESIDUO ASFALTICO EN VOLUMEN

MC-30

50%

MC-70

55%

MC-250

67%

MC-800

75%

MC-3.000

80%

El asfalto líquido MC-70 es utilizado en Colombia como riego de imprimación.

El asfalto líquido de curado lento Su fluidificante es un aceite, relativamente poco volátil. Se designa con las letras se (slow curing) seguidas por un número que indica su grado de viscosidad en centistokes. Los SC más utilizados fueron los SC-70 y SC-250. En Colombia no se producen actualmente.

3. Caracterización física de los asfaltos líquidos La mayoría de los ensayos de caracterización de un cemento asfáltico son también utilizados para caracterizar los asfaltos líquidos.

La viscosidad cinemática Se utiliza para la clasificación de los asfaltos diluidos. El procedimiento de ensayo es similar al utilizado para determinar la consistencia de los cementos asfálticos a 135°C, con la diferencia que para los cut backs se determina a 60°C. Durante la preparación de la muestra es importante controlar la pérdida de volátiles (Figura 5:1).

234


Figura 5.1. Ensayo para determinar la viscosidad Saybolt Furo! de un asfalto líquido

El ensayo para determinar el punto de inflamación El objetivo del ensayo es el de manejar con seguridad el producto durante el proceso de calentamiento. Para los asfaltos líquidos se utiliza la copa abierta de Cleveland (asfaltos de curado lento) y la copa abierta de Tag (asfaltos de curado medio y rápido). En ésta, el vaso es de vidrio y no de metal, y se calienta en un baño de agua y no con llama directa (Figura 5.2). Dependiendo del solvente, las temperaturas de aplicación de los asfaltos líquidos están por encima de su punto de inflamación, por lo que se recomienda tener mucho cuidado durante las operaciones de calentamiento y mezclado.

Ensayo para determinar el contenido de agua Los asfaltos rebajados no deben tener contenidos altos de agua porque pueden producir espuma durante su calentamiento, lo cual es riesgoso para el operador encargado de su manipulación. Para


235

determinar la cantidad de agua presente en los asfaltos rebajados, se coloca un determinado volumen del ligante en una retorta de vidrio o metal y se lo mezcla con nafta de alto punto de ebullición o con xilol. Se adiciona a la retorta un condensador de reflujo que descarga en un colector graduado. Al calentarlo, si existe agua, ésta se une en el colector con el solvente utilizado, permitiendo leer su contenido (Figura 5.3).

Ensayo de destilación Tiene por objeto determinar la proporción y características de los disolventes que contiene un cut-back. Finalizada la destilación se obtiene un residuo que, aunque no es igual al producto que queda después del proceso de curado, sí tiene características similares. Este residuo se denomina cemento asfáltico residual. Este ensayo es utilizado para conocer las cantidades de disolvente destilado a distintas temperaturas, lo que permite estudiar sus características de evaporación, permitiendo estimar la velocidad de curado de

Figura 5.2. Copa abierta Tag para determinar el punto de llama

236


Figura 5.3. Determinación del contenido de agua

estos ligantes bituminosos. El cemento asfáltico residual puede emplearse para realizar los ensayos de caracterización estudiados para los cementos asfálticos. El ensayo se realiza colocando 200 ml de cut-back en un matraz de destilación conectado a un condensador (Figura 5.4). Se calienta gradualmente y se recoge el disolvente en probetas graduadas a las siguientes temperaturas en grados centígrados: 160, 175, 190, 225, 260, 316 y 360. Cuando se alcanza la temperatura de 360°C se mide la cantidad de residuo, expresándolo como porcentaje en volumen de la muestra original. Mediante esta destilación atmosférica se obtiene el disolvente y el cemento asfáltico utilizado en la fabricación del asfalto líquido.


237

Figura 5.4. Ensayo de destilación

4. Proceso de curado de un asfalto líquido Definición Se denomina curado de un asfalto líquido al proceso de evaporación de los disolventes que contiene. El curado se inicia tan pronto como el cut-back se expone a los agentes atmosféricos y se da por terminado cuando se ha evaporado el máximo de disolvente, ya que una pequeña proporción de éste queda incorporada al asfalto de manera permanente y sólo puede eliminarse por destilación. Debido a este fenómeno, el producto resultante del curado del cutback es siempre un cemento asfáltico de penetración mayor que la del cemento asfáltico base empleado en la fabricación.

El tiempo de curado Puede definirse como el tiempo que tarda en ser lo suficientemente viscoso para cumplir las misiones que se le encomiendan como ligante.

238


Variables que afectan la velocidad de curado No es posible dar una expresión sencilla para calcular la velocidad y el tiempo de curado de un asfalto líquido. Es necesario tener en cuenta que son muchas las variables que intervienen en el proceso de volatilización de los solventes y que en cada proyecto específico van a influir en mayor o menor grado en la velocidad y en el tiempo de curado. Entre las variables más importantes que influyen de manera directa en el tiempo y la velocidad de volatilización de los solventes presentes en un cut-back, se tienen: • la temperatura ambiente, • la velocidad del viento, • la superficie de ligante expuesta, • los esfuerzos mecánicos, • las características mineralógicas del agregado pétreo, y • el sistema utilizado para la elaboración de la mezcla asfáltica.

Ensayos para determinar el tiempo de curado Teniendo en cuenta el gran número de factores variables que afectan el tiempo de curado, es prácticamente imposible predecir el tiempo absoluto de curado que cabe esperar en la obra. Son los factores externos los que son incontrolables e imposibles de prever. Por consiguiente, si se mantienen constantes algunos de los factores externos, resultará posible implementar un ensayo que refleje comparativamente los tiempos de curado de los diferentes cut-backs. Entre los ~nsayos utilizados para determinar la velocidad de curado de los asfaltos rebajados o cut-backs, se tienen: • el ensayo de destilación en el laboratorio, • la pérdida de peso con el tiempo,


239

• la variación de la consistencia con el tiempo de curado, y • la variación de las características mecánicas de las mezclas asfálticas Determinación de la velocidad de curado mediante el ensayo de destilación

Tomando como base los resultados del ensayo de destilación, es posible deducir un valor para la velocidad de curado en función de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas. El índice de curado desarrollado por el Texas Highway Department cumple estos fines. Sin embargo, no se trata realmente de un ensayo, sino más bien de una interpretación de los resultados de la destilación normal, lo que da como resultado un número llamado Índice de Curado, que se expresa en horas. Así, un asfalto líquido con índice de curado 30, curará aproximadamente, en la mitad de tiempo que otro cuyo índice de curado sea 60, siempre y cuando los factores externos sean constantes. Esencialmente, el análisis del resultado de la destilación, que permite obtener en índice de curado, es una aplicación de la ecuación de Maxwell-Stefan, desarrollada alrededor del año 1870, la cual permite obtener el flujo de un gas a través de otro. La amplia aplicación del índice de curado ha dado lugar a procedimientos simplificados que no requieren más ensayos que los realizados en el análisis de rutina. La modificación más frecuente es aquella en la que se considera que el punto de curado o punto final está dado por la siguiente expresión: E= 100- 1,0625 R Donde: E

=

Porcentaje de asfalto líquido evaporado hasta alcanzar el punto final.

R

=

Porcentaje de asfalto líquido obtenido como residuo después de la destilación a 360°C.

En la Figura 5.5 se puede observar una curva de ~estilación que relaciona el porcentaje de solvente evaporado y el tiempo de curado para un asfalto líquido.

240


___

~60~----------------------------------~ -; 45

S

~--

~ 40

l:

ti -1

•

-.......

..,......_---

-~

!'

35 30

1 /

..

"' 25 ii "" 20 A.

1

1 /

15

1:\~~----------------------------~ o

2.5

Figura 5.5.

5

C~rva

7.5

10

12.5

15

17.5 20 22.5 25

Tt.mpo(Di. .)

de velocidad de curado de un asfalto líquido

Estudio de la velocidad de curado mediante la pérdida de peso de una película de ligante con el tiempo

Consiste en estudiar la pérdida de peso de una muestra del asfalto líquido a distintas temperaturas de trabajo, extendido de tal manera que forme una lámina con un espesor determinado. Este método permite realizar comparaciones entre la velocidad de volatilización de los solventes que constituyen diferentes asfaltos líquidos. En la Figura 5.6, se muestran las curvas correspondientes al aplicar este método de estudio al asfalto líquido industrial MC-70 y al asfalto líquido natural crudo Castilla. Se puede observar que, independientemente de la temperatura, el crudo Castilla tiene una mayor velocidad de curado que el MC-70. Estudio de la velocidad de curado mediante la variación de la consistencia con el tiempo de curado

Estudiando la variación de la viscosidad de asfalto líquido como función del tiempo de curado en condiciones determinadas, es posible determinar el tiempo de curado de una mezcla asfáltica en

241

Tecnología del cemento asfáltico Perdida de solventes (~)

~ ~----------~~------------------------~

o

2

3

-

Castilla

4

5

8

6

Tiempo (Dios)

9

10

-

Asfalto lrquido MC70

Figura 5.6. Velocidad de curado de un asfalto líquido natural y un asfalto líquido industrial

obra. Para ello se somete al asfalto líquido al proceso de curado descrito anteriormente, y se determina su viscosidad. En la Figura 5.7 se muestra una curva típica obtenida al aplicar este estudio en particular. Estudio de la velocidad de curado mediante la variación de las propiedades mecánicas y dinámicas de las mezclas asfálticas

El proceso de curado es el factor que más incide eri las características mecánicas y dinámicas de las mezclas elaboradas con un asfalto líquido. Otra forma de estudiar la velocidad de curado de un cut-back es midiendo la variación de la resistencia a la compresión simple y/o el módulo dinámico con el tiempo de volatilización de solventes.

242


1

1 !

t

1

'

Figura 5. 7. Variación de la viscosidad con el tiempo de curado

Mediante este tipo de correlaciones es posible definir el momento preciso en que la mezcla adquiere la capacidad portante necesaria para iniciar el proceso de extendido, compactación y puesta en servicio (ver Figuras 5.8, 5.9 y 5.10).

243


:

2,000

-

1,900 e 1,800 •O 1,700 m Cl) :lo. 1,600 Q. E 1,500

~-----

/./'

o

------

o 1.400

C\'1

1,300 ca 1,200

~

·-e

-CJ

~

1,100 1,000 900

a:

800

Ql

~

G)

o

2.5

5

7.5

10

12.5

17.5

15

20 --

Tiempo (Oías) Figura 5.8 Efecto del tiempo de curado del asfalto líquido en la resistencia a la compresión de una mezcla asfáltica

MODULO

OINAMICO

KG/CM2 (MILES).

'35

30

~

25

~ ---..:.. ~

20

15 10

-------

-. 0°/o ?1'10/.

.. ,.,o¡~

~ .............._

5

o 25

26

27

26

29

0070

100°/o 30

31

33

TEMPERATURA °C

Figura 5.9. Variación del módulo de elasticidad dinámico de una mezcla asfáltica con el tiempo de curado

34

35

244


ESFUERZO A TRACCION

( K
10

0.!

10

100

1000

10000

100

oco

l<'igura 5.10. Ley de fatiga de una mezcla elaborada con asfalto líquido en ·función del tiempo de curado

5. Formación de espuma durante el calentamiento de los asfaltos líquidos Durante el proceso de calentamiento de los asfaltos líquidos, muchas veces se presenta la formación de espuma, haciendo que el asfalto aumente su volumen y se rebose del tanque. Esto puede producir el incendio del mismo al entrar en contacto con la llama. La espuma que se forma puede ser causada por: • defectos en su fabricación, y • presencia de agua en el asfalto líquido.

Espuma debida a una mala fabricación En la Figura 5.11 se puede ver la curva de destilación típica de un asfalto líquido normal, mientras que en la Figura 5.12 la de un asfalto líquido con problemas de fabricación. En esta última hay una excesiva cabeza o cambio brusco en la velocidad de destilación, ocasionando una rápida evaporación de la cabeza de disol-


245

Figuras 5.11 y 5.12. Curvas de destilación de asfaltos líquidos

vente, provocando la formación de espuma. Esta espuma es menos peligrosa ya que no suele producir un aumento de volumen excesivo en el producto.

Formación de espuma por presencia de agua Este es considerado como el motivo más frecuente de la formación de espuma durante el calentamiento de los asfaltos líquidos. La mayor parte de las especificaciones exigen que el asfalto no contenga agua, mientras que otras fijan un contenido máximo de 0,5%. La espuma aparece al calentar el asfalto fluidificado aunque éste contenga solamente una pequeña cantidad de agua, y se vuelve molesta y peligrosa si supera el 0,5%. Una forma de controlar la formación de espuma es mediante el calentamiento lento y progresivo, hasta lograr la evaporación del agua.

6. Especificaciones para asfaltos líquidos Los asfaltos líquidos se clasifican de acuerdo con la velocidad de curado del solvente y el grado de consistencia del cemento asfáltico utilizado para su elaboración, medida por la viscosidad cinemática en centistokes. En las Tablas 5.1, 5.2 y 5.3 se pueden observar las especificaciones ASTM para los asfaltos líquidos industriales.

Tabla 5.1. Especificaciones americanas para asfaltos líquidos de curado rápido

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El material no contendrá agua.

Salvo Que se emplea telraclorur-o d~ carbono como di$olvente en lugar de sulfuro de carbono. el procedirnícnto rv1 dt:l Método AASHO T -44, o el n. • 1 del Método ASTM D-4.

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Tabla 5.2. Especificaciones americanas para asfaltos líquidos de curado medio

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El material no contendrá agua.

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Salvo que se emplea tetradoruro de carbono como disofvente en fugar de sulfuró de carbono, el pfoc:edimiento IV 1 del Métod-o AASHO T--4-el n.• 4, o 1 del Método ASTM O~.

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Tabla 5.3. Especificaciones americanas para asfaltos líquidos de curado lento

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249

Referencias bibliográficas ASTM. Standard Method AGNUSDEI, J. O. Asfaltos y emulsiones asfálticas. IV Seminario-Taller, Ministerio de Obras Públicas y transporte, Universidad del Cauca; Popayán, Abril de 1988 ASPHALT INSTITUTE. Alternatives in paviment maintenance, rehabilitation and reconstruction. Maryland, 1989 CRAWFORD, W. W .. Characterization of asphalt in paving materials. Petrocanadá, 1992 ECOPETROL; UNICAUCA. El crudo Castilla: un ligante apto para pavimentos y reciclaje de pavimentos asfálticos. Santafé de Bogotá, 1995 FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION DEPARTAMENT OF TRANSPORTATION. Soil stabilitation in pavement structures: a users manual. Volumen 2, Washington: Terrel, EPPS, and Associates, 1979 FERNANDEZ DEL CAMPO, Juan Antonio. Pavimentos bituminosos en frío. Barcelona: Editores técnicos Asociados, 1983 VELASQUEZ, M. Asfaltos. Madrid : Dossat, 1961 WALLACE, Hugh y MARTIN, Rogers. Pavimentos asfálticos. Madrid: Aguilar, 1962

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Capítulo6

LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS

l. Antecedentes históricos Las emulsiones asfálticas aparecieron comercialmente en Europa a principios del siglo XX. En Nueva York, en el año 1905, se utilizó la emulsión aniónica como riego antipolvo. En el Estado de Indiana, se utilizó para trabajos de reparación de caminos en el año 1914. En Hamburgo, Alemania, se construyó una capa de rodadura asfáltica tipo tratamiento superficial múltiple, empleando una emulsión asfáltica estabilizada con arcilla muy activa como emulgente. Las emulsiones aniónicas se empezaron a utilizar en Europa en el año 1925, aprovechando los ácidos nafténicos del cemento asfáltico, los cuales actúan como emulsificante al reaccionar con una solución de agua y soda cáustica y sometiéndola a una enérgica agitación. En México tuvieron un gran auge entre los años 1930 y 1935. El gran inconveniente fue el prolongado tiempo de rompimiento, que causaba grandes atrasos en las obras. Por esta razón, fueron reemplazadas en un alto porcentaje por los asfaltos rebajados. En la década de los años 50, la aparición de las emulsiones catiónicas en Europa y Estados Unidos, coincidió con la fabricación de nuevos productos químicos tensoactivos. Estas emulsiones se utilizaron inicialmente en la construcción de riegos de imprimación y de liga. Las investigaciones realizadas en este campo tenían como objetivo encontrar un emulsificante para producir una emulsión de rompimiento lento, para mezclarla con agregados de granulometría cerrada y poder construir bases y capas de rodadura.

254


En el año 1973, el incremento del costo de los crudos del petróleo, afectó el costo de los asfaltos rebajados y su empleo fue cada vez menor, dando lugar a un aumento en la producción y aplicación de las emulsiones asfálticas. Actualmente los principales países de Europa utilizan este ligante bituminoso en la tecnología en frio, riegos de imprimación y de liga. En Colombia se ha venido utilizando de manera muy esporádica en algunos proyectos aislados, al no existir una política estatal que impulse su desarrollo.

2. Definición Una emulsión es una dispersión fina de cierto grado de estabilidad de un líquido en otro, no misCibles entre sí. En la naturaleza hay numerosos ejemplos de emulsiones, como el látex natural, algunos aceites vegetales, etc. En la emulsión que se utiliza en la tecnología en frío se pueden distinguir dos fases: una discontinua conformada por las gotitas esféricas de cemento asfáltico y una continua conformada por el medio en el cual se dispersan (Figura 6.1 ).

Fas .. conllflua

• Figura 6.1. Fases en una emulsión asfáltica


255

El diámetro de los glóbulos de asfalto en una emulsión asfáltica o bituminosa está comprendido entre 3 y 8 micras, lo que hace incrementar la superficie específica del cemento asfáltico, favoreciendo el mojado, distribución y cohesión con las partículas de agregado. El cemento asfáltico es por naturaleza hidrófobo, lo cual provoca la unión entre glóbulos dando lugar a otros de tamaño mayor, provocando la separación del cemento asfáltico y del agua. Para evitar la coalescencia de los glóbulos de cemento asfáltico se adiciona un agente estabilizador denominado emulgente o emulsificante.

3 . Tipos de emulsiones Existen dos tipos de emulsiones: directas e inversas.

• Emulsiones directas. Cuando la fase continua es del tipo acuoso y la fase discontinua del tipo aceitoso (o bituminoso). Son las más utilizacj.as en la tecnolo~ía en frío. • Emulsiones inversas. Son dispersiones de agua en aceite. La fase continua es aceitosa, mientras que la fase discontinua es acuosa.

4. Composición de las emulsiones asfálticas Los componentes básicos de una emulsión asfáltica son: • el cemento asfáltico, • el agua, • el emulgente y • los aditivos.

256


El cemento asfáltico Es el principal componente de la emulsión, constituyendo entre un 55% y un 70% de la misma. Es un cemento asfáltico que cumple con las características fisico-químicas y reológicas exigidas para obtener una buena emulsificación. En la práctica se recomienda que elligante presente las siguientes características: • Estado coloidal: tipo sol y sol-geL • Contenido de asfaltenos: 18%-26%. • Contenido de resinas: 30%-42%. • Contenido de aceites: 44%-50%. • Contenido de resinas cálcicas cíclicas aromáticas: 15% del contenido de resinas. • Contenido de parafinas: bajo. • Contenido de ácidos nafténicos: alto (índice de acidez mayor de 1 ,0). • Índice de penetración: entre -1 y +l. • Bajo contenido de sal.

El agua De gran importancia en la fabricación de la emulsión. Se debe controlar la presencia de calcio y magnesio pues afectan sus propiedades químicas.

El emulsificante Aunque cuantitativamente es menor que el cemento asfáltico, se considera como el elemento esencial para su producción. Tienen como función principal estabilizar y evitar la coalescencia de la emulsión (unión de los glóbulos de cemento asfáltico). El emulsificante permite el rompimiento oportuno y cambia la tensión


257

superficial en el área de contacto con el agregado. Pueden ser de tipo aniónico o catiónico, según su carga eléctrica se desplace al ánodo o al cátodo. Su molécula consta de una parte muy afin con el cemento asfáltico que queda firmemente anclada en él, y de otra parte cargada iónicamente, dando lugar a la formación de la micela de asfalto con sus cargas eléctricas alrededor, generando fuerzas repulsivas, responsables de la estabilidad de la emulsión. Para la formulación de la emulsión es necesario tener un amplio conocimiento sobre las características fisico-químicas del emulgente. Pequeñas variaciones en su constitución pueden influir de manera negativa en la calidad final de la emulsión. Los emulsificantes aniónicos

Son sales sódicas o potásicas de ácidos orgánicos de cadena más o menos lineal, ramificada, cíclica, etcétera. Las moléculas de los jabones, cuya fórmula general puede considerarse del tipo R COONa, al disolverse en el agua se ionizan, dando lugar a la aparición en la disolución de un cierto número de cationes Na (o K) y al mismo número de aniones R- COO-, que constituyen realmente el emulsificante aniónico. Los emulsificantes catiónicos

Son productos de la reacción entre ácidos inorgánicos fuertes, como el ácido clorhídrico, con aminas grasas. Su fórmula general es del tipo: H 1

R-N-HCL 1

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Al disolverse en agua, se ionizan generando un anión cloruro y un catión R- HN/, responsable de la densidad de la carga positiva alrededor del glóbulo de asfalto.

258


Según la estructuración química de las moléculas, se pueden diferenciar varias familias de productos: aminas grasas, diaminas y poliaminas grasas, sales de amonio cuaternario, amidoaminas, imidazolinas y aminas oxietilenadas.

Los aditivos Muchas veces los emulsificantes vienen acompañados por aditivos con el fin de mejorar alguna característica específica de la emulsión (viscosidad, adherencia, tiempo de rotura, etcétera). Su naturaleza química son los clorhidratos de aminas y, generalmente, están constituidos por clorhidratos de poliaminas grasas o de mezclas de poliamina y diamina. Es necesario, antes de utilizarlos, conocer la afinidad emulgente y aditivo con el fin de evitar un deterioro irreversible en la calidad de la emulsión.

5. Fabricación de las emulsiones Las emulsiones asfálticas se fabrican en instalaciones especiales de mayor o menor grado de complejidad denominadas plantas de emulsiones, las cuales pueden ser continuas o discontinuas. El proceso de fabricación consiste en hacer pasar una disolución de emulgente y cemento asfáltico a una temperatura adecuada a través de un molino helicoidal, elemento principal que permite la dispersión del asfalto en el agua. En general, una planta de emulsión asfáltica consta de los siguientes elementos: • Un sistema de almacenamiento de materias primas. • Sistema de bombas y tuberías para el trasvase e incorporación, mezcla y dosificación de los componentes. • Un sistema de calentamiento, compuesto por quemadores de petróleo o fuel oil, vapor de agua, aceite térmico o energía solar. • El sistema de fabricación, conformado por los homogenizadores,


259

difusores y molinos coloidales. La desintegración mecánica es uno de los procedimientos más utilizados para cizallar los glóbulos de asfalto hasta el tamaño coloidal. Existen en el mercado cuatro tipos de máquinas que permiten realizar esta operación: los turbo-mezcladores, los molinos de conos, los difusores y los agitadores. Los más utilizados son los turbomezcladores y los molinos de conos. En la Figura 6.2 se puede observar el esquema de una planta típica de fabricación de emulsiones asfálticas.

6. Clasificación de las emulsiones Las emulsiones asfálticas se pueden clasificar según la naturaleza química del emulsificante y la velocidad de rotura.

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Figura 6.2. Diagrama de una planta de fabricación de emulsiones asfálticas

260


Clasificación según el tipo de emulgente Se pueden dividir en tres categorías: • las emulsiones catiónicas, • las emulsiones aniónicas y • las emulsiones No iónicas. En las emulsiones catiónicas, el glóbulo de asfalto tiene carga positiva y gran afinidad con los agregados de origen silíceo. En las emulsiones aniónicas, la carga del glóbulo es negativa y tiene una gran afinidad por los agregados de origen calizo. Por su parte, las no iónicas no se elaboran actualmente.

Clasificación según la velocidad de rotura El término rotura hace referencia al momento en que ocurre la separación del agua y el asfalto, siendo éste un factor decisivo en la selección del tipo de emulsión a utilizar en una obra específica. De acuerdo con la velocidad de rotura, se pueden clasificar en cuatro grupos: • emulsiones asfálticas de rotura lenta (RL), • emulsiones asfálticas de rotura media (RM), • emulsiones asfálticas de rotura rápida (RR) y • emulsiones asfálticas superestables (SS).

7. Propiedades de las emulsiones asfálticas Entre las propiedades más importantes de las emulsiones asfálticas se tienen: • La estabilidad al almacenamiento

261


• La estabilidad ante los agregados pétreos • El grado de adhesividad • La viscosidad • Características reológicas del residuo

La estabilidad al almacenamiento Todas las emulsiones asfálticas modifican en mayor o menor grado sus propiedades durante el manejo y almacenamiento. Los problemas más frecuentes que se pueden producir son los siguientes: La formación de espuma Los emulsionantes, por su naturaleza química, forman espuma, por lo que se debe tener cuidado de no incluir aire en el momento de mezclado o agitación. Es recomendable transportarlas por medio de carrotanques provistos de sistemas rompeolas o tabiques que compartimenten el interior. El llenado de estos carrotanques debe hacerse prolongando la tubería con una manguera flexible hasta unos 1O ó 20 cm del fondo (Figura 6.3).

ALMACENAJE CORRECTO

ALMACENAJE

DEFECTUOSO

Figura 6.3. Llenado y almacenamiento de una emulsión asfáltica

262


Formación de natas y sedimentos

Durante el almacenamiento en obra, se pueden producir dos fenómenos que se acentúan con el tiempo. En la zona de contacto con el aire, se forma una película endurecida que protege al resto de la emulsión; para que se mantenga, es necesario su almacenamiento en depósitos cilíndricos de eje vertical alimentados desde el fondo. De igual manera, se produce una decantación, con el aumento de la viscosidad en las zonas inferiores del depósito, cuanto mayor sea la diferencia de densidades entre las fases dispersante y dispersa, y el tamaño de los glóbulos de asfalto. Para disminuir esta decantación, se pueden utilizar agentes estabilizantes, aumentar la concentración de la emulsión o lograr una mayor finura de la dispersión. Mientras no se produzca la rotura de la emulsión, este fenómeno es reversible, mediante la agitación y trasvase.

Mezclas Las emulsiones asfálticas son estables mientras están en su medio. Si una emulsión básica se mezcla con un medio ácido o se pone en contacto con cargas positivas, la emulsión romperá por reacción electroquímica. Por lo tanto, no se deben mezclar una emulsión catiónica con una aniónica. De igual manera, al diluir la emulsión, se debe tener en cuenta que el agua de dilución sea de la misma característica y que no tenga carga opuesta a la de la emulsión. Los aditivos

Muchas veces en obra se adiciona un determinado aditivo con el fin de mejorar la adhesividad de una emulsión con el agregado. La gran mayoría de las veces puede llevar a la rotura de la emulsión, pues no se realiza un estudio de la afinidad entre el activante y el emulsificante. La temperatura

Las emulsiones asfálticas son estables y conservan sus propiedades a temperaturas comprendidas entre 5°C y 80°C. Por 'debajo de la temperatura mínima, los glóbulos de asfalto se rigidizan, aumentando la viscosidad de la emulsión y disminuyendo su adhesividad. De


263

igual manera, se acelera el proceso de sedimentación por el aumento de densidad debido al incremento del volumen de los glóbulos. Cuando se aumenta la temperatura, por una parte hay un incremento de la energía cinética de las moléculas del emulsionante, por lo que abandonan a los glóbulos de asfalto, disminuyendo la estabilidad de la emulsión. Por otra parte, el agua puede iniciar su proceso de evaporación con la formación de natas de asfalto en la superficie del líquido, obstruyendo las bombas y difusores de riego.

Estabilidad de la emulsión ante los agregados pétreos Representa un problema bastante complejo, que tiene que ver con la forma de rotura. de la emulsión al entrar en contacto con el agregado. Cuanto más fino sea el agregado, más rápida será la rotura de la emulsión, al aumentar la superficie específica y, por tanto, la absorción de agua por parte de las partículas de agregado. La velocidad de rotura dependerá también de la humedad del agregado, el clima en el lugar de la obra, el tipo de emulgente, naturaleza química del cemento asfáltico y de la granulometría de la emulsión.

La adhesividad Es una propiedad muy difícil de evaluar y en donde es necesario involucrar de manera directa al agregado. La adhesividad depende del tipo y cantidad de emulgente, de la naturaleza del ligante bituminoso (cemento asfáltico o asfalto líquido), de los aditivos incorporados al cemento asfáltico, del pH de la emulsión (valores cercanos a 7 proveen una buena adherencia, pero menores estabilidades), de la mineralogía del agregado y de manera indirecta de la granulometría de la emulsión y de su velocidad de rotura.

La viscosidad Esta propiedad depende directamente de la concentración de la emulsión: contenido de asfalto residual. Valores por encima del 65% de asfalto residual hacen crecer rápidamente este parámetro

264


(Figura 6.4). Varía también con el tipo y cantidad del emulgente y de la granulometría de la emulsión. Emulsiones asfálticas con glóbulos de tamaño uniforme son mas viscosas que con tamaños bien graduados. La granulometría depende del tipo de ligante (cemento asfáltico o cut-back) y de los fluidificantes del mismo.

Características reológicas del asfalto residual La consistencia del cemento asfáltico residual influye en las propiedades de la emulsión asfáltica. En tiempo frío, cuando se utilizan fluidificantes, se facilita la envuelta de las partículas de agregado, pero puede generar problemas ante la acción directa del tránsito por causa de un mal curado (evaporación de los solventes), produciéndose ahuellamientos y deformaciones prematuras. Los fluidificantes pueden llegar a perjudicar la adherencia, dependiendo de su naturaleza, por una disminución de la viscosidad delligante residual. La viscosidad del cemento asfáltico residual debe ser función del tipo de aplicación, del clima de la zona del proyecto y del tránsito. VI SCOSIDAO 1 c. p.l A

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/o CONTENIDO OE LIG.ANTE

Figura 6.4. Variación de la viscosidad de la emulsión asfáltica en función del contenido de ligante


265

7. Caracterización físico-química de las emulsiones Los ensayos que se utilizan para caracterizar una emulsión asfáltica se clasifican en tres grupos: • Ensayos para evaluar la calidad de la fabricación • Ensayos para controlar su aplicación • Ensayos sobre el cemento asfáltico residual

Ensayos para evaluar la calidad de la fabricación Los principales son: determinación del pH, determinación del contenido de agua, destilación, sedimentación, tamizado y carga del glóbulo de asfalto. Determinación del pH (NLT 195/73)

Habitualmente se utiliza un Phmetro que mide la diferencia de potencial que se produce al introducir el electrodo de combinación del Phmetro en la emulsión asfáltica. Igualmente, se puede determinar de manera aproximada con un papel indicador de pH. El pH · es una medida del grado de acidez o basidad de la emulsión. Su valor oscila de O a 7 para las ácidas y de 7 a 14 para las básicas. Determinación rápida del contenido de agua

Permite conocer la concentración de la emulsión de una manera rápida y aproximada. Es un ensayo muy útil, pues permite hacer correcciones a la dosificación en obra. El ensayo consiste en calentar una determinada cantidad de emulsión asfáltica, agitándola de manera permanente, hasta lograr la evaporación total del agua (Figura 6.5).

266


Figura 6.5. Determinación rápida del contenido de agua

Destilación (NLT-139, ASTM D 244-8) El ensayo permite determinar de manera precisa la cantidad de cemento asfáltico residual y flux antes presentes en la emulsión. Posteriormente, se pueden realizar los ensayos de caracterización exigidos al residuo de la destilación. El ensayo consiste en pesar 200 g de emulsión asfáltica en una retorta que se coloca en el equipo de destilación elevando su temperatura hasta 260°C, manteniéndola durante 15 minutos. Sedimentación (NLT-140, ASTM D 244-29) El objeto de este ensayo es conocer la tendencia que tienen los glóbulos de asfalto de emigrar hacia el fondo del depósito de almacenamiento. Da una idea de la resistencia que tienen las emulsiones al almacenamiento durante un prolongado periodo de tiempo. El ensayo consiste en llenar una probeta de 500 c3 con la emulsión asfáltica, manteniéndola durante cinco o siete días en un lugar en donde no sufra golpes ni vibraciones. Transcurrido el tiempo, se determina la concentración de cemento asfáltico en la parte superior e inferior. La diferencia en valor absoluto entre los porcentajes de concentración de asfalto es el resultado del ensayo d~ sedimen-


267

tación (Figura 6.6). Los valores de sedimentación son proporcionales al tamaño de los glóbulos y a la diferencia de densidades entre las fases continua y discontinua, e inversamente proporcionales a la viscosidad de la fase continua. Cuando se presenten valores altos de sedimentación, es muy posible que se trate de una simple floculación recuperable a través de la agitación, o bien que esta floculación vaya seguida de una coalescencia y por lo tanto, de que el proceso sea irreversible. Tamizado (NLT-142, ASTM D 244-38) Permite conocer el contenido de cemento asfáltico en forma de glóbulos relativamente grandes existentes en la emulsión, ocasionado por una mala fabricación o deficiente estabilidad. El ensayo permite prever posibles obstrucciones en tuberías, sedimentaciones en tanques e incluso la formación de una película irregular alrededor de la partícula de agregado. El ensayo consiste en hacer pasar a la emulsión por el tamiz No 20. El retenido se lava con una

Figura 6.6. Ensayo para determinar el grado de sedimentación con el tiempo de almacenamiento

268


Figura 6.7. Determinación del retenido en el tamiz #20

solución acuosa aniónica o catiónica, de acuerdo con el tipo de emulsión, y se seca en estufa durante dos horas. El resultado se expresa como un porcentaje en peso del retenido en el tamiz, referido al peso de la muestra de emulsión inicial. Carga de la partícula

Permite conocer si la emulsión es catiónica o aniónica. El ensayo consiste en hacer pasar corriente eléctrica a través de la emulsión, observando si existe o no concentración de ligante en el cátodo o ánodo. Si no se observa nada se concluye que la emulsión es no iónica. Si se concentra asfalto en el ánodo, la emulsión es aniónica y si se concentra cemento asfáltico en el cátodo, la emulsión es catiónica (Figura 6.8).

Ensayos para controlar la aplicación de la emulsión asfáltica Los ensayos mas importantes son la viscosidad, demulsibilidad, la mezcla con cemento y la Adhesividad.


269

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Figura 6.8. Equipo para determinar la carga de los glóbulos de asfalto

Determinación de la viscosidad Saybolt Furol (NLT - 138, ASTM D 244-22)

Permite conocer la consistencia de la emulsión en el momento de su aplicación, previendo su comportamiento en un caso determinado. El proceso consiste en llenar el tubo del viscosímetro con la emulsión asfáltica a ensayar y se mide el tiempo en segundos que tardan en fluir 60 cm3 de este ligante. Demulsibilidad (NLT-141, ASTM D 244-25)

Este ensayo sirve para evaluar la estabilidad de una emulsión de rompimiento rápido en presencia de los agregados. A una muestra de emulsión aniónica se le adiciona cloruro cálcico, agitando durante un tiempo determinado. Posteriormente, se tamiza por el tamiz No 14 y se determina el porcentaje de cemento asfáltico producido por la rotura. Si la emulsión es catiónica se utiliza una solución al 0,8% de dioctilsulfosuccionato sódico para provocar el rompimiento. Mezcla con cemento (NLT-144, ASTM D 244-33)

Es una medida del grado de la estabilidad de una emulsión de

270


rompimiento lento al contacto con los agregados, con el fin de garantizar que no se vaya a presentar un rompimiento prematuro durante el proceso de mezclado. El ensayo consiste en diluir la emulsión hasta obtener un 55% de ligante residual y mezclarla con 50 gramos de cemento, determinando la cantidad de emulsión retenida en el tamiz # 14. Las especificaciones fijan un contenido máximo de ese retenido. La adhesividad

Es un ensayo de carácter práctico que consiste en mezclar los agregados y la emulsión que se van a utilizar en la obra, de acuerdo con la fórmula de trabajo obtenida de un diseño previo y observar su comportamiento ante la acción del agua.

Ensayos realizados al cemento asfáltico residual Se utilizan para conocer las características del ligante asfáltico que queda en servicio recubriendo las partículas de agregado. En el análisis de estos resultados, se deben tener en cuenta las limitaciones del ensayo de destilación utilizado para obtener el residuo en el laboratorio. Los ensayos comúnmente exigidos por las especiílcaciones son: penetración, solubilidad y ductilidad.

8. Rompimiento de una emulsión asfáltica El objetivo principal de una emulsión asfáltica es proporcionar cohesión a las partículas de agregado. Para ello, la emulsión debe romperse una vez que la mezcla esté extendida. Si ocurre durante el proceso de mezclado se tendrán problemas de manejabilidad impidiendo una buena cobertura de las partículas. De igual manera, si se demora en romper una vez colocado, se retrasaría su apertura al tránsito haciéndolas muy vulnerables a la acción del clima (Figura 6.9).


Figura

~6.9.

271

Rotura de una emulsión ante un material pétreo

Definición de rotura Es la separación irreversible del cemento asfáltico y el agua en la emulsión. Elligante bituminoso queda adherido a la superficie del agregado y el agua se elimina por medio de la evaporación, acelerada por el proceso de compactación de la mezcla. El proceso de rotura no se debe confundir con el de curado de un asfalto líquido. Algunas emulsiones se fabrican utilizando asfaltos rebajados, siendo necesario identificar muy bien los dos procesos: primero, el de la separación del agua y elligante y, segundo, la evaporación de los solventes que contiene el asfalto líquido. El tiempo de rotura de la emulsión asfáltica es el factor más importante a la hora de su aplicación en obra. Depende del tipo de aplicación, la. resistencia inicial requerida para dar servicio al tránsito, la compactación, la acción del clima, etcétera.

Causas de la rotura de una emulsión Las principales causas del rompimiento de una emulsión asfáltica son: la afinidad electrostática, la evaporación, la dilución, la congelación y la adición de electrólitos. Afinidad electrostática entre los glóbulos de asfalto y la carga de las partículas de agregado

Es la principal causa del rompimiento de casi todas las emulsiones catiónicas, las cuales rompen por una reacción química en la que el

272


cemento asfáltico queda completamente adherido a la superficie de la partícula de agregado, al formarse por la neutralización de cargas, un compuesto químico insoluble que sirve de puente de unión entre ambos.

La rotura por evaporación Es la que rige la rotura en las emulsiones aniónicas. El agua desaparece de la emulsión, ocasionando la cohesión total de los glóbulos de ligante.

La rotura por dilución Cuando las moléculas de emulgente emigran a la fase acuosa compensando una variación en el pH, quedando los glóbulos de asfalto sin protección que provocan su, unión y rotura de la emulsión.

La rotura por congelación Se debe a una alteración de las propiedades qmm1cas de los emulgentes, como consecuencia de cambios bruscos en la temperatura y los glóbulos de ligante quedan sin protección.

Adición de electrólitos Por disociación los electrólitos pueden anular la acción de los emulgentes, ocasionando la unión entre glóbulos de asfalto.

9. Manejo de las emulsiones asfálticas El manejo inadecuado de la emulsión asfáltica durante el transporte, almacenamiento y aplicación en obra es una de las causas que se traducen en un mal comportamiento del producto.- Por ello se presentan algunas recomendaciones generales que se deben tener en cuenta al manejar cualquier tipo de emulsión asfáltica.


273

En cuanto a la dilución de las emulsiones Cuando se va a utilizar en riegos de liga o riegos de imprimación, la emulsión se diluye en agua con el fin de facilitar su aplicación. La dilución se debe realizar utilizando agua limpia únicamente en el momento de su aplicación y previo estudio a nivel de laboratorio. El agua se debe verter en la emulsión y no la emulsión en el agua. Es de anotar que este tipo de emulsiones ya diluidas no se pueden almacenar.

En cuanto a la mezcla con otros productos Por su composición química, nunca se deben mezclar dos emulsiones con carga diferente, ya que romperían de inmediato. Tampoco se debe mezclar con algún otro diluyente tipo ACPM o con un asfalto líquido, ya que son inmiscibles entre sí.

En cuanto al almacenamiento y transporte Para su transporte se pueden utilizar los carrotanques utilizados para transportar asfaltos líquidos y demás solventes, ya que no necesitan ningún tipo de quemadores para calentar el producto. Los tubos de descarga y carga se deben instalar en la parte inferior y a unos 20 cm del fondo, evitando la formación de espuma y la destrucción de la nata protectora (Figura 6.3). Durante su almacenamiento por períodos largos de tiempo, se debe disponer de un sistema de recirculación con el fin de evitar su sedimentación.

En cuanto a la limpieza de los tanques Si se utilizan carrotanques para transporte de distintas clases de emulsión, se deben seguir las siguientes recomendaciones: • Cuando se vaya a transportar una emulsión catiónica en un carrotanque que transportó una emulsión aniónica, se debe lavar el tanque con una solución acuosa compuesta por un kilogramo de ácido clorhídrico por metro cúbico de agua.

274


• Si se va a transportar una emulsión aniónica en un carrotanque en que se transportó una emulsión catiónica, se debe realizar su lavado mediante una solución acuosa compuesta por un kilogramo de soda cáustica por metro cúbico de agua.

10. Especificaciones colombianas para emulsiones asfálticas En la Tabla 6.1 se presentan las especificaciones exigidas por el Instituto Nacional de Vías de Colombia para las emulsiones asfálticas. En ellas, se trata de valorar la calidad de la emulsión, el tipo de emulsión, su composición y las características del cemento asfáltico, mediante el cumplimiento de parámetros obtenidos a través de una serie de ensayos de laboratorio.

11. Aplicaciones de las emulsiones asfálticas Existe una gran versatilidad en la aplicación de este tipo de ligante bituminoso. Las emulsiones asfálticas se pueden utilizar en todas las aplicaciones de los demás productos bituminosos: riegos de liga e imprimación, tratamientos superficiales, lechadas bituminosas, mezclas abiertas, mezclas densas y grava emulsión.

12. Ventajas de la utilización de emulsiones asfálticas Las ventajas que tiene la emulsión asfáltica al ser utilizada en los trabajos de construcción y conservación de carreteras son las siguientes: • Se adapta fácilmente a las condiciones climáticas, pues es posi-

e e

Mezcla con con cemento

%

Solubilidad en tetracloruro de Carbono

.. ..

%

Recubrimiento del agregado y resistencia al desplazamiento Con agregado seco Con agregado seco y acción del agua Con agregado húmedo Con agregado húmedo y acción del aaua 2. ENSAYOS SOBRE RESIDUO DE DESTILACION Penetración (2s•c, 1OOgr,5seg) 0.1mm. cm. Ductilidad (25"C,5cm/m)

oH

Carga Partfcula

. • .

..

.. .

1. ENSAYO SOBRE EMULSIONES Viscosidad Saybo~ Furol a 25 Seg Seg Savbok Furol a 50 Contenido de aaua en volumen % Estabilidad Almacenamiento Sedimentacion a los 7 dfas % Destilación Contenido de Asfalto Residual % . Contenido de disolventes % Tamizado Retenido T 20 (850 JUll) Rotura DioctllsuHosucclnato sódico %

TIPOS DE EMULSIONES

60 100 40 97

E-713

E-702

0.1

3

5

40

100

100 250

POSITIVA 6

40

60

20

E-706

E-769

E-767 E-768

E-770

E-766

E-765

E-762

E-761 E-764

E-763

0.1

3

5

300 35

97

97

100

250

Satisfactoria Satisfactoria

Buena Satisfactoria

40

100 250

0.1

12

5

450 35

POSITIVA 1 6

60

20

ROTURA MEDIA CRM Mfn Máx

40

60 100

POSITIVA 6

40

65

20

ROTURA RAPIDA CRR-2 CRR-1 Mfn Máx Mfn Máx

97

40

200

57

0.1

300

97

60 100 40

100 250

POSITIVA 6

0.1

5

20

43

200

CRL-1 Máx

10

POSITIVA 6

40 10

Mfn

ROTURA LENTA

50

50

CRL-0 Mfn Máx

Tabla 6.1. Especificaciones exigidas por el Instituto Nacional de Vías a las emulsiones asfálticas colombianas

97

40

60

57

0.1

o

5

43

100

CRL·1h Máx

100

2 POSITIVA 6

Mfn

N ......¡ Ul

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§

276


ble trabajar con agregados húmedos. • Se puede formular una emulsión asfáltica según el tipo de agregado disponible en obra. • La mezcla se realiza a temperatura ambiente, minimizando el consumo energético. • Desde el punto de vista ambiental, no presenta el inconveniente de los asfaltos líquidos de la evaporación de solventes. Tampoco es necesario utilizar quemadores para el calentamiento, evitando la contaminación del medio ambiente. • Es mayor la seguridad del operario al manipular el producto, al disminuirse los riesgos de incendio y explosión, y al no estar expuesto a la acción de compuestos nocivos. • En cuanto al manejo del producto, la aplicación es simple y versátil, pues no es necesario utilizar equipos sofisticados. • Desde el punto de vista costos de producción, se pueden utilizar los materiales disponibles en la zona, previo cumplimiento de los requerimientos de calidad exigidos. De igual manera, es posible su almacenamiento durante largo tiempo, siempre y cuando se tomen las precauciones mínimas.


277

Referencias bibliográficas AGNUSDEI, J. O. Asfaltos y emulsiones asfálticas. IV Seminario-Taller, Ministerio de Obras Públicas y transporte, Universidad del Cauca; Popayán, abril de 1988 MANUFACTURAS Y PROCESOS INDUSTRIALES. Las emulsiones asfálticas en la pavimentación de carreteras. Bucaramanga, 1998 RIVERA, Gustavo. Emulsiones asfálticas. México :Representaciones y Servicios de Ingeniería, 1987 THE ASPHALT 1NSTITUTE. Manual del asfalto. Bilbao : Urmo, 1982 THE ASPHALT INSTITUTE. Tecnología del asfalto y prácticas de construcción. Guía para instructores. Traducido por la Comisión permanente del Asfalto de la República de Argentina. Buenos Aires, Argentina, 1985 VELÁSQUEZ, M. Asfaltos. Madrid : Dossat, 1961

Capítulo7 '

. LOSASFALTOS MODIFICADOS

l. Introducción Existen casos en que las características de las mezclas asfálticas, obtenidas con los cementos asfálticos convencionales no son capaces de resistir la acción conjunta del tránsito y del clima, siendo necesaria la utilización de ligantes modificados que presenten mejores propiedades reológicas, un mayor grado de adherencia, mayor resistencia al envejecimiento y menor susceptibilidad térmica. Las mezclas asfálticas elaboradas con estos ligantes modificados presentan altos valores de stiffness a temperaturas altas de servicio, lo que disminuye los ahuellamientos y bajos stiffness a baja temperatura, permitiendo disminuir el riesgo de la aparición prematura de fisuras. De igual manera, el grado de afinidad liganteagregado en presencia de agua se mejora sustancialmente. Algunas de estas propiedades pueden mejorarse mediante la utilización de ligantes más duros, sin embargo esto reducirá su flexibilidad a temperatura ambiente y proveerá al ligante de un mayor grado de fragilidad a bajas temperaturas. Para mejorar las propiedades citadas, sin producir efectos negativos secundarios, se están empleando a nivel mundial los cementos asfálticos modificados con polímeros. El empleo de materiales poliméricos en la tecnología de los pavimentos data de hace muchos años, pero a partir del año 1960 en que se utilizaron en Holanda los geotextiles, sus aplicaciones se han incrementado én otras ramas de la ingeniería.

282


2. Razones técnicas para la utilización de aditivos y modificadores en las mezclas asfálticas. Con la utilización de los modificadores y aditivos se puede lograr: • Mejorar el stiffness del cemento asfáltico a altas temperaturas de servicio, minimizando el riesgo de ahuellamiento. • Obtener mezclas mas flexibles a bajas temperaturas de servicio para minimizar la aparición de fisuras asociadas a los cambios térmicos. • Mejorar la resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas. • Mejorar la afinidad ligante-agregado pétreo con el fin de reducir el riesgo de stripping. • Mejorar la resistencia a la abrasión de las mezclas asfálticas. • Rejuvenecer el cemento asfáltico. • Minimizar los problemas durante el proceso de colocación y compactación de la mezcla asfáltica. • Mejorar las características elásticas del cemento asfáltico. • Permitir un mayor espesor de película de ligante alrededor de las partículas de agregado con el fin de incrementar la durabilidad de la mezcla. • Reducir la probabilidad de exudación del cemento asfáltico. • Disminuir los espesores de la estructura de pavimento. • Mejorar el comportamiento general de toda la estructura del pavimento

283


3. La mezcla asfáltica ideal Una mezcla asfáltica ideal debe tener las siguientes características (Figura 7.1): • Baja rigidez o viscosidad a las temperaturas normales de manejo en planta y colocación en obra. • Alta rigidez a las temperaturas altas de servicio para reducir el ahuellamiento. • Baja rigidez y buenas características elásticas a temperaturas bajas de servicio para reducir el riesgo de la aparición de fisuras por cambios de temperatura. • Buenas características adherentes en presencia de humedad, con el propósito de reducir el stripping. BAJAS TEMPERATURA

TEMPERATURAS DE RIEGO V MEZCLADO

O'E SERVICIO

TEMPERATURAS

DE w.!PACTAClON

o IIIEZCLA

CONVENCIONAL

Ltt,11TES PRACTICO$ DE MOOtFICACia-4

-50

o

200

Figura 7.1. Características deseadas en una mezcla asfáltica

~o

284


En el pasado, algunas de estas propiedades se podían obtener con los cementos asfálticos tradicionales. En la actualidad, con el incremento del volumen del tránsito, el aumento en las sobrecargas de los vehículos pesados, el aumento de la presión de inflado y la aparición de nuevos crudos, hacen necesario el uso de modificadores y aditivos para obtener mezclas que cumplan con la mayoría de estos requerimientos. Tabla 7.1. Clasificación genérica de los aditivos y modificadores de cementos asfálticos TIPO

EJEPLO GENERICO

1, FUier

• Filler mineral:

Polvillo da trituración Limos Cemento Portland Cenizas volante&

•Carbón • Asufre • Lignina

POUMEROS 3, caucho

• Caucho natural

a. látex natural

• Estire no butadíeno SBR

b.UJ!ex sintético c.Ccpollmeroa

•SBS

• Polidorcpreno

d.Cllucho reutilizado 4. Plá$tlco$

• Polipropileno • Polietileno

• Polidoruro devinllo • Políolefinas

5. Combinación 6. Fibras

• Mezcla de pollmeros 3 y 4 • Natural: asbestos • Hechos. por el hombre: poliester,

fibra de vidrio, CáiUIO&a, minerales 7. Oxldar~tes

• Saln de mansaneso

lt Antioxidantes

•Catbón • Sales de calcio

• Compuestos. oon plomO 9. Hidrocatbonos tO. Agentes anbstripping

• Aceltes re)uveneeédores •Limos •Amlnas

11 , Mísceláneas

•Sílíconas

• Cloruro de caldo granulado


285

En la Tabla 7.1 se puede ver la clasificación de los aditivos y modificadores, utilizados para mejorar las características del cemento asfáltico.

4. Los polímeros Los polímeros son sustancias macromoleculares naturales o sintéticas, obtenidas a partir de moléculas más sencillas por reacciones poliméricas, de allí su denominación de polímeros. Por lo tanto, un polímero es un compuesto con un elevado peso molecular, cuya estructura se representa por la repetición de pequeñas unidades. Los polímeros naturales como las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos y el caucho natural, son producto de la actividad vital de los organismos. Por su parte, los polímeros sintéticos, son obtenidos de manera más simple, por la unión de moléculas sencillas denominadas monómeros.

5. Clasificación de los polímeros Existen muchos tipos de polímeros, por lo que su dosificación y sistematización resulta muy compleja. Atendiendo a su estructura se clasifican en termoplásticos, termoendurecibles y elastómeros.

Polímeros termoplásticos Son solubles que se reblandecen con el calor y dependiendo de su intensidad pueden llegar a fluir. Una vez enfriados, es posible moldearlos repetidamente sin que pierdan sus propiedades. Por lo general, son polímeros lineales o ligeramente ramificados. Los termoplásticos más comunes son el polietileno, el polipropileno, el policloruro de vinilo, el poliestireno, copolimeros de etileno-acetato de vinilo (EVA), las poliamidas, entre otros. ·

286


Los polímeros termoendurecibles Se forman por la reacción química de dos componentes: la base y el endurecedor, dando lugar a una estructura entrecruzada, por lo que no pueden ser recuperados para volver a transformarse. Entre los más comunes se encuentran las resinas fenólicas, las resinas epoxi, las resinas de poliéster, las resinas de poliuretano, etcétera.

Los elastómeros o cauchos Son polímeros lineales amorfos, generalmente insaturados. Sometidos a un proceso de vulcanización adquieren una estructura parcialmente reticulada, la cual le confiere las propiedades elásticas. Los cauchos de uso más generalizado son: el caucho natural, los cauchos de etileno-propileno, .los cauchos de butadieno-estireno (SBR), los cauchos de policloropeno, los elastómeros termoplásticos de butadieno-estireno (SBS), etcétera. Los polímeros más utilizados para modificar los cementos asfálticos son el caucho natural (NR), los copolímeros de etilenoacetato de vinilo (EVA) y los elastómeros termoplásticos de butadieno-estireno (SBS).

6. Los aditivos para polímeros Los polímeros no se utilizan tal como se obtienen de un proceso de polimerización, sino que llevan incorporados una serie de productos que se denominan aditivos, modificando considerablemente sus propiedades. Las funciones dadas a los aditivos son muy diversas, y su empleo puede ser optativo o imprescindible. Así, por ejemplo, un caucho necesita la incorporación de un agente vulcanizante para que tenga propiedades elásticas, mientras que la incorporación de un colorante será optativa y dependerá de la aplicación que se vaya a dar al producto.


287

La incorporación de un aditivo permite la obtención de productos con propiedades y funciones muy diferentes, por ejemplo: a partir del caucho se puede obtener desde la banda de rodamiento de un neumático hasta una goma de borrar. En muchos casos, un mismo aditivo puede encontrarse en una gran variedad de polímeros, y en otros, el aditivo se encuentra sólo en un determinado polímero y para una aplicación específica. Entre los aditivos de uso más frecuente se tienen: • Los estabilizantes térmicos • Los plastificantes • Los antioxidantes • Las cargas y fibras • Los pigmentos colorantes • Los agentes de vulcanización • Los espumantes • Los agentes de entrecruzamiento El empleo de cada aditivo y la cantidad dentro del polímero, dependerá de las propiedades requeridas, del tipo de polímero y la función concreta a que se destine.

7. Propiedades de los polímeros Los materiales poliméricos en función de su composición química, estructuración (lineal, ramificada, entrecruzada), configuración espacial, estado de agregación, peso molecular, aditivos, etc., presentarán un abanico de propiedades que hace prácticamente imposible su sistematización. Sin embargo, los polímeros tienen una serie de propiedades generales, que pueden considerarse comunes a todos ellos.

288


El peso específico Una característica común a todos los polímeros es su bajo peso específico. Los valores más bajos corresponden a los plásticos expandidos y cauchos esponjosos, así el poliestireno expandido tiene un peso específico de 0,02, mientras que la espuma de poliuretano de 0,04. Los pesos específicos más altos corresponden a los polímeros fluorados, así el politetrafluoretileno (teflón) tiene un peso específico de 2, l. No obstante la mayoría de los materiales poliméricos compactos tienen un peso específico próximo a la unidad.

Propiedades mecánicas El comportamiento mecánico de los polímeros a temperatura ambiente puede variar desde las características de un vidrio rígido y quebradizo, hasta la flexibilidad y elasticidad de una goma. Entre los polímeros rígidos a temperatura ambiente se encuentran el policloruro de vinilo, el poliestireno, el pqlimetacrilato de metilo, etc., y entre los más flexibles y elásticos se encuentran los cauchos, PVC plastificados, entre otros. Las características mecánicas de los polímeros se miden generalmente mediante ensayos de tracción, compresión, flexión, dureza, impacto, desgarro, etcétera. La mayoría de los polímeros tiene un comportamiento reológico tipo viscoelástico, lo cual hace que sus propiedades mecánicas tengan una gran dependencia con el tiempo de duración de la carga. Si se aplica un esfuerzo constante, se tendrá una deformación inicial instantánea y una deformación de fluencia (más lenta). Si se mantiene la deformación constante, el esfuerzo necesario para producir dicha deforn:lación irá disminuyendo paulatinamente (relajación de esfuerzos).


289

Influencia de la temperatura La variación de la temperatura, genera en los polímeros cambios en sus propiedades, lo que limita su uso a un cierto rango. La elevación de la temperatura produce en los materiales termoplásticos un rápido descenso de su resistencia mecánica, que comienza antes de su punto de ablandamiento, mientras que las temperaturas bajas los hacen más frágiles y quebradizos, con la consiguiente disminución de la resistencia a la tracción y al impacto. En los polímeros termoestables las propiedades mecánicas se mantienen en un mayor rango de temperatura. En los elastómeros cuando baja la temperatura, se produce primero un aumento de la rigidez y finalmente por debajo de la temperatura de transición vítrea, pierden su capacidad de deformación y se toman frágiles. A temperaturas elevadas y en presencia de oxígeno se envejecen con la consiguiente pérdida de propiedades.

Durabilidad Se define como la capacidad que tiene todo material para mantener sus propiedades originales a lo largo del tiempo. Las alteraciones de las propiedades de los polímeros se producen por fatiga (aplicación repetida de esfuerzos) o por envejecimiento (acción del medio ambiente), aunque normalmente ambos factores actúan conjuntamente. Los agentes que pueden dar lugar a cambios apreciables en las propiedades de los polímeros son: • los agentes atmosféricos: agua, ozono, oxígeno y humedad, • la radiación solar y el calor, • los microorganismos, • los agentes químicos y • la acción del tránsito.

290


Los cambios generados por esos agentes dependerán del tipo de polímero, su composición y estructura química.

8. Caracterización de los cementos asfálticos modificados con polímeros Los asfaltos modificados con polímeros presentan propiedades reológicas diferentes a la del cemento asfáltico base, por lo tanto, los ensayos utilizados para su caracterización difieren un poco de los tradicionalmente utilizados para evaluar las propiedades de los cementos asfálticos. Existen unas propiedades particulares que son necesarias de evaluar en los asfaltos modificados, que tienen que ver con el grado de compatibilidad polímero-cemento asfáltico base, la estabilidad al almacenamiento en caliente, las propiedades mecánicas y las características elásticas.

Evaluación de la compatibilidad La dispersión del polímero en el cemento asfáltico se realiza por medio de la técnica de microscopía óptica de fluorescencia por reflexión, en donde la muestra se ilumina con luz ultravioleta y el polímero disperso en el cemento asfáltico emite luz visible de color amarillo y de mayor longitud de onda, mientras que el betún no emite fluorescencia, lo cual permite observar la micromorfología de la muestra. Dicha micromorfología dependerá de la compatibilidad de los dos componentes, del método y condiciones de fabricación.

Estabilidad al almacenamiento Durante los procesos de almacenamiento a elevadas temperaturas, pueden producirse en los ligantes modificados con polímeros fenómenos de cremado o sedimentación, presentando una mayor con-


291

centración del polímero en la parte superior o inferior del tanque, dependiendo de la densidad del polímero respecto a la delligante. Las causas de esta inestabilidad pueden ser la falta de afinidad de los materiales y/o dispersión incorrecta del polímero por un sistema o condición de mezclado deficiente. La mayoría de los procedimientos utilizados para evaluar este fenómeno consisten en mantener el conjunto ligante-polímero en una estufa a una temperatura elevada durante un determinado período de tiempo y tomar muestras en la parte superior y parte inferior con el fin de detectar las diferencias de concentración de polímero entre ellas, mediante la medida de propiedades esenciales corno la penetración, punto de ablandamiento y viscosidad, entre otros. El método más conocido por su sencillez y bajo costo es el denominado "método Zenke" o tubo de pasta de dientes. El ensayo consiste en mantener en un tubo de aluminio una muestra de cemento asfáltico modificado durante tres días a una temperatura de 180°C. Para ello se utiliza el tubo de pasta de dientes de 30 a 40 mm de diámetro y 160 mm de altura mínima, se cierra por su extremo roscado y se le añade una cantidad de muestra del ligante modificado fundido y homogéneo hasta alcanzar una altura de 100 a 120 mm, presionando suavemente la parte superior libre de asfalto, con el fin de expulsar el aire, dejando un tramo de tubo plano que sirve de cámara de expansión y enrollando el resto de la parte superior sobre sí misma, como se indica en la Figura 7 .2. El tubo o tubos se colocan verticalmente en un recipiente sobre una estufa a la temperatura especificada. Cumplidas las 72 horas se procede a enfriar hasta temperatura ambiente. Se pela la superficie del tubo y se corta la muestra en tres partes. La parte central se desecha, mientras que a las partes superior e inferior se les determina la penetración o cualquier otro ensayo tradicional, con el fin de comprobar su grado de homogeneidad.

292


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A LA VISTA

Figura 7.2. Método Zenke o tubo de pasta de dientes

Comportamiento reo lógico y susceptibilidad a la temperatura Las propiedades reológicas de los ligantes modificados con polímero se evalúan mediante los ensayos e índices convencionales utilizados para caracterizar los cementos asfálticos: penetración, punto de ablandamiento, índice de penetración, punto de fragilidad Fraass, ductilidad a bajas temperaturas y viscosidad a diferentes temperaturas.

Propiedades mecánicas Los cementos asfálticos modificados con polímero presentan propiedades mecánicas superiores a las de los ligantes tradicionales. Para su evaluación se han desarrollado y adaptado una serie de ensayos tales como: tensión-deformación, la tenacidad, fuerza-ductilidad, entre otros. Ensayo tensión-deformación Es similar al ensayo de tracción de cauchos vulcanizados (ASTM D 412), el cual consiste en estirar una probeta de dimensiones especificadas hasta su rotura, anotando o registrando gráficamente la fuerza ejercida sobre la probeta durante el ensayo y los alargamientos resultantes.

293


Medida de la tenacidad

El método fue desarrollado por Benson con el nombre Toughness and Tenacity Test, normalizado en la norma California CA-331. El ensayo consiste en introducir una semiesfera metálica en el ligante fundido a una profundidad de 7/16" y dejando enfriar el conjunto hasta la temperatura ambiente. La semiesfera se retira delligante a una velocidad constante de 20 pulgadas por minuto y se registra la curva carga-deformación. En la curva obtenida se definen las áreas de resistencia (Toughness) y tenacidad (Tenacity). La primera está representada por el área total bajo la curva, mientras que la tenacidad por el área limitada por la curva de deformaciones elevadas y la proyección del pico de la curva al eje de las abcisas (Figura 7.3) .

.

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1 .f .r •

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.. .... .. . L{cm)

.,_ ASFALTO CCl'NENOONAL - · - ASFALTO 1 EVA • *~ • ASFALTti 1 SEIR .. •• .. ASF'AL TO t SBS

Figura 7.3. Curvas de resistencia y tenacidad de asfaltos modificados

294


Fuerza-ductilidad

Es una modificación del ensayo de ductilidad con el propósito de determinar la fuerza ejercida sobre la probeta. Para ello se utilizan probetas prismáticas de 3x3xl cm, y se coloca una celda de carga en el extremo que permite medir el esfuerzo.

Medida de las características elásticas Los ligantes modificados presentan una elasticidad mayor que la de los ligantes tradicionales. Los ensayos utilizados para evaluar las características elásticas son: la recuperación elástica por torsión, la recuperación elástica por medio del ductilómetro y la recuperación elástica utilizando el microviscosímetro de placas deslizantes. Recuperación elástica por torsión

En el procedimiento que se describe en la norma española NLT329/ 91, se sumerge en la muestra de cemento asfáltico modificado un cilindro de dimensiones especificadas, que se gira 180 grados y se determina después de 30 minutos, el ángulo recuperado por el mismo (Figura 7.4).

Figura 7.4. Recuperación elástica por torsión


295

Recuperación por medio del ductilómetro

Consiste en someter a la probeta empleada en el ensayo de ductilidad a un estiramiento de 20 cm a una velocidad de 50 mm/min. Después del estiramiento, se para el ductilómetro y se mantiene la muestra en esa posición durante 5 minutos. Se corta la muestra por la mitad con unas tijeras o cualquier otro medio y se deja recuperar durante una hora. Al cabo de ese tiempo se mide la longitud recuperada, reportándose como un porcentaje de la longitud inicial (Figura '1.5). Recuperación elástica utilizando el microviscosímetro de placas deslizantes

Se procede a preparar unas placas de vidrio con un área de 6 cm2 con elligante modificado en un espesor de 3 mm. Se somete a una deformación continua mediante la aplicación de una carga de 800 g durante un tiempo de 381 segundos. La temperatura del ensayo es de 15°C. Transcurrido ese tiempo se retira la carga y se deja recuperar la muestra durante el mismo tiempo de carga (381 s), calculándose la recuperación como un porcentaje de la deformación total alcanzada durante la carga.

RF

~

-1..... L. o

en °/o

Figura 7.5. Recuperación elástica utilizando el ductilómetro

296


Envejecimiento Para simular el envejecimiento durante las operaciones de mezclado y colocación en obra, se utiliza el mismo procedimiento que para los cementos asfálticos sin modificar. El método empleado es el ensayo al horno en película fina rotatoria RTOF (Rolling Thin Film Oven Test).

9. Especificaciones de los cementos asfálticos modificados con polímeros Desde la última década, existe un interés creciente en la tecnología del asfalto por la utilización de los ligantes modificados con polímeros. Ello se debe a los siguientes factores: • El incremento de la demanda de las mezclas asfálticas en caliente. • El incremento en el volumen del tránsito, las altas cargas y presiones de inflado han llevado a que se generen ahuellamientos prematuros en los pavimentos. • La aplicación de las especificaciones emanadas del grupo de investigación SHRP, exige que el ligante asfáltico utilizado en la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente, tengan un buen comportamiento a bajas y altas temperaturas de servicio. La mayoría de los cementos asfálticos no cumplen este requerimiento siendo necesario su modificación. • La puesta en marcha del sistema de concesión de carreteras en las que es necesario alargar la vida de la estructura del pavimento disminuyendo los riesgos de la aparición de fallas prematuras. La necesidad de mejorar la resistencia de la estructura del pavimento flexible, al agrietamiento térmico, a la fatiga, al desprendimiento por humedad (stripping) y a la susceptibilidad térmica, han llevado a que los cementos asfálticos modificados con polímero sustituyan a los asfaltos convencionales en la mayoría de los trabajos de pavimentación y mantenimiento.


297

La mayoría de las especificaciones iniciales para estos nuevos materiales fueron adaptadas directamente a partir de aquellas recomendadas por los mismos productores. Estas especificaciones contienen algún tipo de ensayo que permite identificar la presencia del polímero, pero no necesariamente, evalúan el comportamiento que tendrá el nuevo ligante modificado. Las propiedades que incluyen la mayoría de las especificaciones se pueden ver en la Tabla 7.3, y hacen referencia al comportamiento, calidad y manejo. En la Tabla 7.4 se puede observar los requerimientos exigidos por las especificaciones AASHTO a los cementos asfálticos modificados con tres tipos de polímero: el tipo I cuando se modifica con estireno-butadieno-estireno o SBS, el tipo II cuando se modifica Tabla 7.3. Propiedades y ensayos a tener en cuenta en las especificaciones para cementos asfálticos modificados con polímeros

OBJETIVO QUE Si DESEA

PROPIEDAD QUE LO REPRESENTA

CataetertstiCM de comportam*ento Fuerza de cohesíón

Resistencia a la tracción

Capacidad de recuperación

Recuperadtm elástica

Envejecírniento

Endunteimiento en el mezclado

COITlpOf'tamiento en trio

Ouctiii:ladJFractura

Caraeteristicas bUica&

Penetración, P.A. Fraas& Cantcteñatteu de cumplimiento

Análisis tte control

Penetración, P.A, viscosidad

Punto de inflamación Convensión peso-volumen Indicación Temp_ Manejo

Bombeo, mezclado, compactación

Comportamiento almacenamiento

Estabilidad

Homogeneídad

Dispersión del pollmero

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con látex de estireno-butadieno-hule o SBR y el tipo III cuando se utiliza etilo-vinilo-acetato o EVA. En Colombia se han realizado algunos estudios específicos a nivel de laboratorio, tendientes a mejorar las características de los ligantes convencionales, utilizando materiales hidrocarbonados (gilsonita y rejuvenecedores), filleres, activantes, entre otros, sin que se hayan implementado a nivel de campo. Con la construcción de vías por concesión, los concesionarios requieren una mejor optimiz-ación de los recursos destinados al mantenimiento de las vías, lo cual ha llevado a la implementación de las plantas asfálticas para utilizar ligantes modificados con polímeros. Tabla 7.4. Especificaciones para asfaltos modificados con polímeros

AASHTO.AGC·ARTBA Aeencias Thu I·A Tiooi·B Tíooi·C Tioo I·D Grado TiooU·A M in Max Mln Max Mío Max Mín Max Min Max Método de Ensavo Ductilidad. 4 'C. 5 cm/min. cm TS! 50· Punto de Inflamación (CQC), 218 218 232 232 T48 232 'C 40 25 Penetración. 4'C. 200g. 60 sec T49 30 25 Penetración. 25'C, IOOg. 5 scc T49 100 ISO 75 100 50 75 40 75 100 Punto de Ablandamiento, 43 49 54 T53 60 Anillo y Bola
.

Notas Generales •Consultar Agencia para Detalles

Tiooll·B TlOOII·C Min Max Mín Max 50 50 232

232

70

80

99. 110175 1600

99.• 110175 1600

2000

2000

8000

8000 8 110175 Para tipos: 11 (A,B,C) puede usarse el RTFO o TFOT con los mismos requisilos.•

25

Agencia AASHTO-AGC-ARl'BA Grado Tioom-A Tioom-B TiooUI-C Tioo 111-D Tino III·E Método de Ensayo AASHTO M in Max Mio Max Mio Max Mio Max Min Max Punto de Inflamación (COC), 'C T48 218 218 218 218 218 Penetración, 4 'C, 200g, 60 sec T49 48 35 26 18 12 Penetración, 25'C, ·IOOg, 5 sec T49 30 130 30 130 30 130 30 130 130 30 Punto de Ablandamiento, Anillo y 57 T53 52 54 60 Bola (A&B), •e Viscosidad Absoluta. 60"C, P T202 Viscosidad Cinemática, 135'C, cSt T201 150 1500 150 1500 ISO 1500 !50 1500 150 1500 Ensayo Rotatorio de Pelicula Delgada en Horno, AASHTO 1'240 CRTFOT) Perdida de Masa, % 1.0 1.0 J. O l. O 1.0 13 Penetración. 4 'C. 200•. 60s T49 24 18 9 6


299

Referencias bibliográficas AGNUSDEY, Jorge; IOSCO, Ornar. Durabilidad de asfaltos modificados con polfmeros. 6° congreso Íbero latinoamericano del asfalto. Santiago, 1991 PERDOMO, Darío. Evolución de normativas para el ligante asfáltico en EUA: desde penetración a Viscosidad; desde asfalto modificado con polímero a SHRP experiencias que podrían ser aplicadas en Latinoamérica. 9° congreso Íbero latinoamericano del asfalto. Asunción, 1997 RUBIO, G. Baltazar. Betunes asfálticos. Betunes modificados. Betunes Fluidificados y Fluzados. Alquitranes. VTI Curso Internacional de Carreteras. Madrid, 1992 SUCH, Christian. Asfaltos Modificados. Taller de transferencia de tecnología. Pontificia Universidad Javeriana. Santafé de Bogotá, 1995

j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j j

Indice A

AASHTO 297 aceites 256 ácidos nafténicos 256 activante 262 adherencia 281 adhesividad 263, 270 aditivos 255, 258, 262, 286 afmidad electrostática 271 agentes atmosféricos 289 agentes químicos 289 agitación 262 agua 244 ahuellamientos o rutting 216 almacenamiento 261, 266 ángulo de fase 5 175, 178 aniónica 268 antioxidantes 287 asfaltenos 256 asfalto líquido 23 1 asfaltos diluidos 233 asfaltos rebajados 231, 253 B bases 253 Benson293

bombeo 174 Bowen203

e capas de rodadura 253 características elásticas 290 características mecánicas 241 carga de la partícula 268 carrotanques 273 cauchos 286 cemento asfáltico residual235 cementos asfálticos tradicionales 284 coalescencia 255, 267 comportamiento reo lógico 288 composición química 201 compresión 288 concentración de la emulsión 262 congelación 271 consistencia 239 contenido de agua 234, 265 cracking por fatiga 215 crudo Castilla 240 curado 237 curado lento 232 curado medio 232 curado rápido 232 cut-back 23 5

302


D

deformación permanente (ahuellamiento) 181,216 demulsibilidad 269 desgarro 288 destilación235, 238 dilución 271 dispersión 254, 291 durabilidad 188, 289 dureza288 E

Ecopetrol222 El reómetro dinámico de corte DSR (Diynamic Shear R) 175 El viscosímetro rotacional RV (Rotational Viscosimeter) 174 elasticidad 294 elastómeros 285 electrólitos 271 emulgente 255 emulsificante 255 emulsificante aniónico 257 emulsificantes catiónicos 257 emulsión 254 emulsión superestable 260 emulsiones aniónicas 260 emulsiones asfálticas 253 emulsiones catiónicas 260 emulsiones directas 255 emulsiones inversas 255 emulsiones No iónicas 260 ensayo de destilación 235 ensayo de película fina rotativa RTOF 172 ensayo tensión-deformación 292 envejecimiento 188, 281, 289 especificaciones 203, 274 especificaciones STM 245 espuma 234, 244 espumantes 287 estabilidad261, 269 estabilidad al almacenamiento 290 estado coloidal256 EVA286

evaporación 271 exudación 282 F

fabricación 244, 256 factor de ahuellamiento 180 factor de fisuramiento 182 fatiga289 fibras287 fmura de la dispersión 262 fisuramiento 215 fisuramiento térmico 218 flexión288 floculación 267 fluidificados 231 fluidificante 231,232,264 fluxantes 266 formación de natas y sedimentos 262 foto-oxidación 191 frecuencia 176 fuerza-ductilidad 292 G

glóbulos de asfalto 255 grado de compatibilidad 290 grado de penetración 204 H

Herz 176 1

impacto 288 imprimación 23 3 índice de corte 151 índice de curado 239 índice de penetración 144 inestabilidad 291 Instituto Colombiano del Petróleo (ICP) 222 Instituto Nacional de Vías 221 K

Kandhal196

Tecnología del cemento asfáltico L

La vasija de envejecimiento a presión PAV 173 ligantes modificados 281 Limiting Stiffness Temperature 184 M

materiales poliméricos 281 Maxwell-Stefan 239 método Zenke 291 mezcla asfáltica 283 mezcla con cemento 269 mezclado 174 mezclas 262 micromorfología 290 microorganismos 289 microscopía óptica 290 módulo almacenado 17 8 módulo complejo de corte G* 175, 177 módulo dinámico 241 módulo perdido 178 módulo de rigidez 152 monómeros 285 N

propiedades reo lógicas 281, 292 punto de curado 239 punto de inflamación 234 punto de llama 207 punto final23 9

R radiación solar 289 radián 176 recuperación elástica por torsión 294 recuperación por medio del ductilómetro 295 rejuvenecer 282 reómetro de flexión sobre viga BB R 184 resinas 256 resistencia a la compresión simple 241 resistencia a la fatiga 282 resistencia al fisuramiento 196 riego233 riego antipolvo 253 riegos de imprimación 253 rigidización 196 rotura 271 rotura lenta 260 rotura media 260 rotura rápida 260

no iónica 268

o oxidación 171, 189 p

parafmas 256 peso específico 288 pH265 pigmentos 287 plantas de emulsiones 258 plastificantes 287 polimerización 190 polímeros 285 proceso de curado 232, 241 proceso de envejecimiento 194 propiedades dinámicas 241 propiedades fisicas y reológicas 212 propiedades mecánicas 290

303

S

sal256 SBS286 sedimentación 266 sedimentación 263 seguridad 215 separación 190 SHRP 170 sinéresis 190 sistema de clasificación 204 sol256 sol-gel256 solventes 232, 238 stiffuess 152 superficie específica 263 superpave 170 susceptibilidad térmica 281

304


T Tamizado 267 temperatura 262 tenacidad 292 tensión superficial256 tensión-deform~ción 292 tensoactivos 253 termoendurecibles 285 termoplásticos 285 tiempo de curado 23 7, 23 8 tixotropía 190 Toughness and Tenacity Test 293 tracci6n 288 tracción directa DTT (Direct Tensión

Tester) 186 tránsito 264, 289 transporte 273 tratamiento superficial253 tubo de pasta de dientes 291

V vasija de envejecimiento a presión PAV 171 velocidad de rotura 260 ventajas de la emulsión 274 viscoelástico 288 viscosidad Saybolt Furol269 viscosímetro rotacional Brookfield 174 volatilización 170, 189

TECNOLOGIA DEL CEMENTO ASFALTICO-HUGO LEON ARENAS.pdf

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