CARACTERIZACION DE ASFALTOS I. INTRODUCCION El Asfalto es uno de los materiales de características muy especiales que es usado como producto exclusivo en la construcción de pavimentos, definido por la mayoría de los investigadores, como una mezcla variada de Hidrocarburos pesados que en conjunto presentan propiedades termoplásticas, cuyo estado a nivel de consistencia varía con facilidad de acuerdo a la temperatura, comportándose a bajas temperaturas como un sólido, a temperaturas intermedias como un sólido elástico y a altas temperaturas como un fluido viscoso. El estudio de sus características físico – químicas ha demandado en los últimos tiempos en una necesidad para poder predecir su desempeño tanto en los procesos de preparación de las carpetas ASFALTICAS, su colocación en OBRA y finalmente su DURABILIDAD en SERVICIO. Sus características físicas peden determinarse mediante ensayos convencionales tales como: Penetración, viscosidad, punto de ablandamiento, Punto de inflamación, índice de Penetración, entre otras; los mismos que se detallan en la sección 5.10. El afán es encontrar una explicación científica de cómo la estructura química, por medio de una serie de interacciones químicas de las diversas moléculas polares y no polares que lo constituyen; tienen efectos sobre sus propiedades físicas y por ende como estas se reflejan en su desempeño en el pavimento en servicio. Tema que se detalla ampliamente en la sección 5.6. II. RESEÑA HISTORICA DE LA REFINERIA CONCHAN 2.1 Reseña Histórica de Refinería Conchan • Inaugurada en 1961 por CONCHAN CHEVRON y DISEÑADA POR FLUOR CORPORATION, con una columna de Destilación Primaria de 32 platos con una capacidad inicial de 4.6 MBDO (Cuatro mil seiscientos barriles día operación). • En 1967 fue ampliada a 8.0 MBDO y se adicionó la Unidad de destilación a Vacío con 20 platos. • En 1974 pasó a la administración de PERTOLEOS DEL PERU • Se cerro la Planta de Julio – 1977 a Mayo – Mayo –1983. 1983. • De 1983 a 1996 se orienta a la PRODUCCION EXCLUSIVA DE ASFALTOS. • En 1996 1996 se inicia su repotenciación y modernización parcial con modificaciones en la recuperación de calor en las zonas convectivas de los Hornos, ampliación de infraestructura de Tanques de almacenaje de Crudos y productos terminados, sistemas de despacho de productos blancos y negros, tendido de nuevas líneas, instalación de bombas de mayor HETP. Así mismo se pasó de un sistema de control manual a un sistema de control automático distribuido. • Actualmente trabaja a su 80% de su capacidad instalada alcanzada con las mejoras refinando hasta 12.0 MBDO • Produce y atiende despachos de Combustibles, Solventes y Asfaltos
UBICACIÓN GEOGRAFICA Y VIAS DE ACCESO 2.2 POLITICA DE LA EMPRESA 2.2.1 VISION Empresa líder, sustentada en valores corporativos, desarrollo de sus recursos humanos; orientada a la satisfacción de sus accionistas y clientes en un marco de responsabilidad social y desarrollo sostenido; generando valor para sus accionistas, clientes y trabajadores. 2.2.2 MISION Transportar, Refinar y Comercializar Hidrocarburos, logrando reconocimiento por: ▪ Competitividad, basado en eficiencia y rentabilidad ▪ Calidad de productos y servicios, orientada a la satisfacción de sus clientes ▪ Contribución al desarrollo energético y al mejoramiento de la calidad de vida en el País en el marco de una política ambiental responsable. 2.2.3 OBJETIVOS ESTRATEGICOS CRECIMIENTO Incrementar la producción, los volúmenes de ventas y la diversificación de productos para lograr mayor participación en el mercado y afrontar la competencia. RENTABILIDAD Maximizar la rentabilidad de Refinería Conchán, obteniendo beneficio económico a través de sus márgenes operativos. CALIDAD Lograr la satisfacción de nuestros clientes, ofreciéndoles productos y servicios de calidad, acorde con las normas y especificaciones técnicas vigentes. MEDIO AMBIENTE Preservar el Medio Ambiente en estricto cumplimiento de la normativa vigente y lograr la infraestructura necesaria para la producción de derivados del petróleo acorde con las nuevas exigencias. INCIDENCIA DE REFINERIA CONCHAN EN EL MERCADO NACIONAL DE COMBUSTIBLES Y ASFALTOS Volumétricamente representa el 17% de las ventas de PETROPERU en el País. Respecto al total de ventas, Refinería conchan vende el 18% de Gasolinas Motor, el 18% de Destilados Medios y el 19% de los Petróleos Industriales. Cubre el 48% de la venta de los Solventes y el 61% de la Venta de Asfaltos. 2.2.3 PRODUCTOS COMERCIALIZADOS • Gasolina 97 • Gasolina 95 • Gasolina 90 • Gasolina 84 • Solvente Nº 1 y Nº 3 • Kerosene • Diesel 2 • Petróleo Industrial Nº 5 • Petróleo Industrial Nº 6
UBICACIÓN GEOGRAFICA Y VIAS DE ACCESO 2.2 POLITICA DE LA EMPRESA 2.2.1 VISION Empresa líder, sustentada en valores corporativos, desarrollo de sus recursos humanos; orientada a la satisfacción de sus accionistas y clientes en un marco de responsabilidad social y desarrollo sostenido; generando valor para sus accionistas, clientes y trabajadores. 2.2.2 MISION Transportar, Refinar y Comercializar Hidrocarburos, logrando reconocimiento por: ▪ Competitividad, basado en eficiencia y rentabilidad ▪ Calidad de productos y servicios, orientada a la satisfacción de sus clientes ▪ Contribución al desarrollo energético y al mejoramiento de la calidad de vida en el País en el marco de una política ambiental responsable. 2.2.3 OBJETIVOS ESTRATEGICOS CRECIMIENTO Incrementar la producción, los volúmenes de ventas y la diversificación de productos para lograr mayor participación en el mercado y afrontar la competencia. RENTABILIDAD Maximizar la rentabilidad de Refinería Conchán, obteniendo beneficio económico a través de sus márgenes operativos. CALIDAD Lograr la satisfacción de nuestros clientes, ofreciéndoles productos y servicios de calidad, acorde con las normas y especificaciones técnicas vigentes. MEDIO AMBIENTE Preservar el Medio Ambiente en estricto cumplimiento de la normativa vigente y lograr la infraestructura necesaria para la producción de derivados del petróleo acorde con las nuevas exigencias. INCIDENCIA DE REFINERIA CONCHAN EN EL MERCADO NACIONAL DE COMBUSTIBLES Y ASFALTOS Volumétricamente representa el 17% de las ventas de PETROPERU en el País. Respecto al total de ventas, Refinería conchan vende el 18% de Gasolinas Motor, el 18% de Destilados Medios y el 19% de los Petróleos Industriales. Cubre el 48% de la venta de los Solventes y el 61% de la Venta de Asfaltos. 2.2.3 PRODUCTOS COMERCIALIZADOS • Gasolina 97 • Gasolina 95 • Gasolina 90 • Gasolina 84 • Solvente Nº 1 y Nº 3 • Kerosene • Diesel 2 • Petróleo Industrial Nº 5 • Petróleo Industrial Nº 6
• Petróleo Industrial Nº 500 • IFO 180 • IFO 380 • Ronax • Acido Nafténico • Cemento Asfáltico 10/20 • Cemento Asfáltico 20/30 • Cemento Asfáltico 40/50 • Cemento Asfáltico 60/70 • Cemento Asfáltico 85/100 • Cemento Asfáltico 120/150 • Asfalto Líquido RC-250 RC -250 • Asfalto Líquido RC-70 RC -70 • Asfalto Líquido MC-30 MC -30 • Asfalto Líquido MC-70 MC -70 • 2.2.4 ORGANIZACIÓN GENERAL CUADRO Nº 1 Organización General de la Empresa III. OBJETIVOS 3.1 OBEJETIVOS GENERALES Estudiar y analizar las propiedades físicas y químicas de los Asfaltos de pavimentación, definiendo los materiales bituminosos, su origen, manufactura y su estructura química básica; para optar el Titulo Profesional de Ingeniero Químico. 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 1.- Enfocar los fundamentos teóricos sobre los Asfaltos Sólidos, sus propiedades con la finalidad de entender la importancia de la estructura química en el desempeño de estos materiales en la construcción de pavimentos flexibles. 2.- Analizar la clasificación y las especificaciones técnicas de calidad según las Normas Internacionales de la American Society For Testing and Materials (ASTM) y la American Association Associatio n State Highway Highway and and Transportation Transportation Officials Standar (AASHTO). 3.- Enfocar los Ensayos de Control de calidad de los Asfaltos Sólidos clasificados por grado de Penetración conforme a la norma ASTM D 946 y su relación con sus propiedades Químicas. 4.- Proporcionar información de los riesgos y las medidas de seguridad en el uso y manipuleo de materiales asfálticos. IV. RESUMEN Los ASFALTOS son obtenidos convencionalmente por PROCESOS de destilación del PETROLEO. En las UNIDADES de DESTILACION PRIMARIA se recuperan cortes laterales de destilados ligeros y destilados medios (Naftas, Kerosene, Diesel, y Gasóleo atmosférico), los cuales se separan de acuerdo a la volatilidad relativa de sus
componentes. Por los Fondos se recupera el Crudo Reducido formado por componentes que ya no se volatilizan a las condiciones de operación de las Fraccionadoras Atmosféricas. Atmosférica s. El crudo reducido es alimentado alimentado a la Unidad de Destilación a Vacío en la que se recupera cortes laterales de Gasóleos (Nafta pesada de vacío, Gasóleo Ligero, Gasóleo Pesado) y como Fondos de estas unidades se obtienen los Residuales de Vacío o Asfaltos (fig.Nº 2). Fig. Nº 2 Unidad básica de Refinación de Petróleo Los Asfaltos obtenidos como producto residual en la unidad de Destilación a Vacío, están disponibles en un amplio rango de tipos y grados, y sus características fisicoquímicas dependen del tipo de Crudo procesado los que son rigurosamente determinados en el laboratorio mediante ensayos de: Viscosidad, Penetración, Punto de Ablandamiento, Punto de Inflamación, Gravedad API, Ductilidad, Envejecimiento por Efecto de calor y Aire entre otros; los mismos se detallan en la sección 5.10, siendo esto el objeto del presente informe. Los resultados obtenidos experimentalmente se presentan en el Capitulo VI , sección 6.1.2, del mismo modo la evaluación y discusión de resultados en al Capitulo VII, sección 7.1. V. FUNDAMENTOS TEORICOS 5.1 PROCESO DE OBTENCION 5.1.1 EL PETROLEO El Petróleo Crudo es una mezcla compleja de Hidrocarburos, su mérito consiste en muchos derivados que se pueden elaborar a partir de él, en una Refinería ó Complejo Petroquímico. La obtención de los productos deseados se hace posible por medio de un proceso básico denominado destilación [5]. El origen de la palabra Petróleo proviene de dos palabras latinas: Petra (roca) y Oleum (aceite). Se ha establecido que el Petróleo Crudo es una mezcla compleja de compuestos llamados hidrocarburos dentro de los cuales pueden ser parafínicos, nafténicos, aromáticos y heterocíclicos, con propiedades físicas y químicas variadas (peso molecular, punto de ebullición, etc.), y cuya separación en una columna de destilación se fundamenta en los rangos de los puntos de ebullición de las fracciones que lo componen [5]. En la práctica se destila el crudo no para obtener componentes puros si no cortes que representan mezclas de hidrocarburos multicomponentes que posean propiedades y características más uniformes dentro de un determinado rango de temperaturas de ebullición. Los hidrocarburos son denominados así porque están constituidos principalmente de Carbono e Hidrógeno, aunque también se encuentran pequeñas cantidades de heteroátomos tales como: Azufre, Oxígeno y Nitrógeno, dependiendo de su origen. Esos cortes son considerados como mezclas homogéneas de hidrocarburos, que en su conjunto presentan propiedades físicas comunes [5]. Tipos de Petróleo Crudo
Esta clasificación está basada en las relativas cantidades de ceras parafínicas y asfalto presentes en el petróleo. • Base parafínica • Base Mixta • Base Asfáltica Series de Hidrocarburos Los compuestos de hidrocarburos que se encuentran en el petróleo pertenecen a varias series o familias de hidrocarburos entre los que mencionamos [5]: • Parafinas. Son cadenas de carbono sin ramificaciones, son compuestos estables y saturados. • Iso-parafinas. Iso-parafinas. Son cadenas de carbono ramificadas, ejemplo: el isobutano, isopentano, etc. Compuestos que pueden tener la misma fórmula que la parafina normal, pero tienen con distintas propiedades físicas. • Olefinas. Son cadenas de carbono con dob les enlaces insaturados. Su estructura insaturada contribuye a que sean compuestos menos estables y de mayor reactividad química. • Nafténicos (Parafinas cíclicas). Contienen cinco a seis átomos de carbono en un anillo. Los más comunes son el ciclopentano y el ciclohexano. • Aromáticos. Compuestos con seis átomos de carbono en un anillo con tres dobles enlaces conjugados. 5.1.2 REFINACION DEL PETROLEO Las Unidades de Refinación de Petróleo en nuestro País y otras latitudes depende de los siguientes factores: Disponibilidad de materia Prima, Tecnología, demanda de derivados de Petróleo por citar los más trascendentes. Estas van desde unidades básicas de proceso, que consta de columnas de Destilación Atmosférica, columnas de destilación a Vació, otras que pueden tener las siguientes unidades: destilación Atmosférica, destilación a Vacío, Craqueo catalítico, Reformación Catalítica, Planta de Lubricantes, etc., por citar los más importantes y hasta complejos petroquímicos [5]. Fig. Nº 3 Cadena de valor de Refinación básico de petróleo UNIDAD DE DESTILACION PRIMARIA Procesamiento del Petróleo Crudo para la separación en sus componentes en base a los diferentes puntos de ebullición. Condiciones de Operación: Presión cercana a la Atmosférica, temperaturas en el orden de 650 °F en el plato de Flash. Los productos obtenidos de esta unidad son: Gasolina Primaria, Solventes , Kerosene, Diesel Primario y Crudo Reducido (carga para la Unidad de destilación al vacío) [5]. UNIDAD DE DESTILACION AL VACIO Procesamiento del Crudo Reducido obtenido de la Unidad de Destilación Primaria. Condiciones de Operación: Presión inferior a la Atmosférica, Temperaturas en el orden de 715°F en la zona flash.
Los productos obtenidos de esta unidad son: Nafta de Vacío, Gasóleo Liviano (Componentes del Diesel), Gasóleo Pesado (carga para la Unidad de craqueo catalítico Refinería), Combustibles industriales y Asfaltos. Los Diagramas de flujo ( fig.Nº 4 y fig.Nº 5) de ambas Unidades muestra el proceso para el caso típico de una Unidad Básica de Refinación de Petróleo (Caso PETROPERU Refinería Conchan) 5.2 ASFALTOS 5.2.1 RESEÑA HISTORICA El Asfalto, es uno de los materiales más antiguos utilizados por el hombre. Fue empleado en muchas formas en MESOPOTAMIA, SIRIA Y EGIPTO, que lo encontraron en lagunas de afloración natural, cuyas fracciones más ligeras naturalmente se evaporaron. El residuo pesado raramente era muy puro, pues contenía agua, tierra y otras impurezas. Sin embrago con procedimientos rudimentarios de destilación pudieron obtener combustibles para las lámparas y productos bituminosos para "masties", impermeabilización y pavimentación. Las pavimentaciones pioneras datan desde 1802 en FRANCIA, 1838 en los ESTADOS UNIDOS y fueron ejecutadas con ASFALTOS naturales [2]. DEFINICION DE LA AMERICAN SOCIETY FOR TESTING OF MATERIALS (ASTM) • ASFALTO: Material aglutinante de consistencia variable, color pardo oscuro o negro, cuyo constituyente predominante es el BITUMEN, pudiendo encontrarse en estado natural en la corteza terrestre o ser obtenido a partir de la refinación del PETROLEO [1]. • BITUMEN: Mezcla de Hidrocarburos pesados (obtenidos en estado natural o por diferentes procesos físicos o químicos) con sus derivados de consistencia variable, y con poder aglutinante e impermeabilizante, siendo este completamente soluble en bisulfuro de carbono (CS2) y Tricloroetileno (C2H3Cl3) [1]. TIPOS Y GRADOS DE ASFALTOS • Cementos Asfálticos o Asfaltos sólidos • Asfaltos Líquidos (Cutbacks) • Emulsiones Asfálticas • Asfaltos Modificados con polímeros 5.2.2 CEMENTOS ASFALTICOS O ASFALTOS SÓLIDOS Son productos que se obtienen del proceso convencional de refinación del Petróleo como corte final en las unidades de Vació. Sus cualidades y propiedades aglutinantes, impermeabilizantes, flexibilidad, resistencia al envejecimiento y alta resistencia a los ácidos y álcalis lo hacen un material ideal para aplicaciones en la construcción de Pavimentos flexibles Se clasifican de acuerdo a su consistencia medido por si Viscosidad dinámica o absoluta o por su grado de Penetración (PEN). 5.2.2.1. GRADOS Y ESPECIFICACIONES TECNICAS DE ASFALTOS SÓLIDOS Los Asfaltos Sólidos pueden ser graduados de acuerdo a cuatro diferentes sistemas [1, 6]: Penetración, Viscosidad, Viscosidad después de Envejecimiento y Grado de Desempeño (PG) 5.2.2.1.1 GRADUACION POR PENETRACION
La American Society for Testing and Materials (ASTM) y la American Association State Highway and Transportation Officials Estándar (AASHTO); clasifican a los Asfaltos, mediante las Normas ASTM D948 y AASHTO M-20 basado en el Ensayo de Penetración. Asfaltos con valores altos de penetración (120/150 a 200/300) son graduados como asfaltos blandos y valores bajos de penetración ( 40/50) son graduados como asfaltos duros. Conforme a esta Norma las propiedades adicionales son valores máximos o mínimos según el ensayo, para cada grado de Penetración de la muestra como se muestra en el cuadro Nº 2. CUADRO Nº 2 [pic] Fuente: Especificaciones para Asfaltos de Pavimentación-Instituto del Asfalto. 5.2.2.1.2 GRADUACION POR VISCOSIDAD La American Society for Testing and Materials (ASTM) y la American Association State Highway and Transportation Officials Estándar (AASHTO); clasifica los Asfaltos por grado de viscosidad según las Normas ASTM D 3381 y AASTHO M 226. En este caso, se utiliza un sistema de numeración precedido por las letras AC, para describir la viscosidad basados en el Asfalto original. Valores altos describen asfaltos viscosos. Por ejemplo en Asfalto AC-30 es más blando que en AC-40. La clasificación de los Asfaltos por grado de Viscosidad es más útil, porque esta propiedad nos da mayor información de su comportamiento reológico. Los cuadros Nº 3 y Nº 4 muestran estas especificaciones. CUADRO Nº 3 Fuente: Especificaciones Técnicas para Asfaltos de Pavimentación-Instituto del Asfalto CUADRO Nº 4 5.2.2.1.3 CLASIFICACION POR GRADO DE VISCOSIDAD DESPUÉS DE ENVEJECIMIENTO La American Society for Testing and Materials (ASTM) y la American Association State Highway and Transportation Officials Estándar (AASHTO); clasifica los Asfaltos por grado de viscosidad en el residuo después del ensayo de envejecimiento, realizado en el Horno de Película Rotatorio o Rolling Thin Flim Oven Test (RTFOT) conforme a Las Normas ASTM D 3381 y AASTHO M 226 (cuadro Nº 5). Es usado el prefijo AR para ―Aged Residue‖ ( residuo por envejecimiento) las valores numéricos indican el grado de viscosidad. Por ejemplo un AR-4000 es más blando que un AR-16000. CUADRO Nº 5 ESPECIFICACIÓN ASTM D 3381 ESPECIFICACIÓN AASHTO M-226-80 Fuente: Especificaciones Técnicas para Asfaltos de Pavimentación- Instituto del Asfalto Bajo estas Normas existen tres niveles de límites de Especificaciones. El usuario debe requerir la calidad del producto de acuerdo a los requerimientos específicos de un
determinado proyecto (cuadros Nº 3, 4 y 5) . 5.2.2.1.4 CLASIFICACION POR GRADO DE DESEMPEÑO O PERFORMANCE GRADE (PG) El grado de desempeño o Sistema PG (Performance Grade) (AASHTO MP 1) esta basado en las temperaturas del pavimento bajo las cuales se determina el desempeño del asfalto. El Sistema PG es parte del Sistema SUPERPAVE. Un asfalto PG 64-28 esta designado para ser aplicados en ambientes donde la temperatura del pavimento son tan altas como 64°C y tan bajas como -28° C [4]. 5.2.3 ASFALTOS LIQUIDOS (CUTBACKS) Llamados " Asfaltos Recortados", resultante de la dilución de cementos Asfálticos por algún destilado de petróleo. Los diluyentes usados funcionan como "vehículos" resultando productos menos viscosos que pueden ser aplicados a temperaturas más bajas. En base a la velocidad relativa de evaporación del solvente de dilución, los asfaltos líquidos se dividen dentro de tres tipos [1]: Asfaltos Líquidos de Curado Rápido (RapidCuring), Asfaltos Líquidos de Curado Medio (Médium-Curing) y Asfaltos Líquidos de Curado Lento (Slow-Curing); y cada tipo se subclasifica de acuerdo a la viscosidad de la mezcla Asfalto-Solvente (destilado de petróleo). 5.2.3.1 ASFALTO LIQUIDO DE CURADO RÁPIDO O RC Formulado por una mezcla de Cemento asfáltico y un diluyente ligero de alta volatilidad; generalmente en el rango de ebullición de gasolina o nafta pesada. Se subclasifican por la viscosidad alcanzada en la mezcla del Asfalto y el Solvente, de acuerdo al mayor o menor porcentaje en volumen del diluyente y cemento asfáltico usado en su formulación. El detalle de las especificaciones de estos Asfaltos Líquidos se de tallan en la Norma ASTM D 2028 (cuadro Nº 6). 5.2.3.1.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE ASFALTOS LIQUIDOS DE CURADO RAPIDO (RAPID-CURING) NORMA ESTANDAR ASTM D 2028. Estos Asfaltos se presentan en cuatro graduaciones, determinados por el ensayo de viscosidad a 60ºC , a la mezcla Asfalto-Nafta pesada. Se les nombra anteponiendo las letras RC (Rapid Curing) seguido de un valor numérico el que indica la mínima viscosidad aceptable alcanzada por la mezcla Asfalto-Solvente [1,6,7]. CUADRO 6 ESTANDAR ASTM D 2028 [pic] Fuente: Especificaciones para Asfaltos de Pavimentación-Instituto del Asfalto Los grados de menor viscosidad: RC-70 y RC-250 pueden ser rápidamente trasegados a temperatura ambiente, estos productos a 25°C tienen la consistencia semejante a una crema. La ventaja de los grados más viscosos RC-800 y RC-3000 es que son moderadamente menos viscosos que los Asfaltos Sólidos graduados por viscosidad AC 2.5. Son aplicados en climas fríos y templados. 5.2.3.2 ASFALTOS LIQUIDOS DE CURADO MEDIO O MC Formulado por una mezcla de Cemento asfáltico y un diluyente de volatilidad intermedia; generalmente en el rango de ebullición del kerosene, y se subclasifican por la viscosidad
alcanzada en la mezcla de acuerdo a la mayor o menor proporción en volumen del diluyente . Las especificaciones técnicas se detallan en la Norma ASTM D 2027 (cuadro Nº 7) [6, 7]. 5.2.3.2.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE ASFALTOS LIQUIDOS DE CURADO MEDIO (MEDIUM-CURING) NORMA ESTANDAR ASTM D2027 CUADRO 7 ESTANDAR ASTM D 2027 [pic] Fuente: Especificaciones para Asfaltos de Pavimentación-Instituto del Asfalto. Se les nombre anteponiéndole las letras MC (Médium-Curing) seguidos de un valor numérico el que indica la viscosidad mínima aceptable de la mezcla Asfalto-kerosene a 60ºC. Están disponibles en los grados menos viscosos: MC-30, MC-70, y MC-250 y los más viscosos los grados MC-800 y MC-3000. Son aplicables por técnicas en frío y en climas cálidos y tropicales [6,7]. 5.2.3.3 ASFALTOS LIQUIDOS DE CURADO LENTO O SC De poca aplicación. Están constituidos de asfaltos sólidos y diluyentes de baja volatilidad. Son llamados también Aceites de camino. Sus especificaciones técnicas se detallan en la Norma ASTM D 2026 (cuadro Nº 8). 5.2.3.3.1 ESPECIFICACIONES TECNICAS DE ASFALTOS LIQUIDOS DE CURADO LENTO (SLOW-CURING) NORMA ESTANDAR ASTM D 2026 Se les nombra anteponiendo las letras SC (Slow-Curing) y un valor numérico que indica la viscosidad de la mezcla a 60ºC. Todos los Tipos y grados de Asfaltos Líquidos deben ser homogéneos y no deben formar espuma cuando son calentados a la temperatura de aplicación [1,6,7]. CUADRO 8 ESTANDAR ASTM D 2026 [pic] Fuente: Especificaciones para Asfaltos de Pavimentación-Instituto del Asfalto. 5.2.4 EMULSIONES ASFALTICAS Una Emulsión, es la dispersión de pequeñas partículas de un líquido dentro de otro líquido. Las Emulsiones pueden ser formadas por dos líquidos cualesquiera no miscibles (fig. Nº 6), pero en la mayoría una de las fases es agua. Emulsiones aceite-en-agua ( O/ W ) son aquellas en las cuales la fase continua es agua y la fase dispersa ( partículas ) el aceite o líquido insoluble [8, 3]. [pic] Fuente: Akzo Nobel Fig. Nº 6 Emulsiones Asfáticas Una emulsión Asfáltica consiste de tres ingredientes básicos Asfalto, Agua y un agente emulsificante. En algunas ocasiones el agente emulsificante puede contener un estabilizador. Es conocido que el agua y el Asfalto no se mezclan, excepto bajo condiciones cuidadosamente controladas usando equipos altamente especializados y Aditivos químicos. La mezcla de cemento Asfáltico y agua es algo semejante al lavado de la grasa
de un automóvil solamente con agua y sus manos. Esto no es posible hasta que un agente detergente o jabón es usado para que la grasa pueda ser removida con éxito. Las partículas de jabón rodean los glóbulos de grasa y rompen la tensión superficial que tienen ambas sustancias y permiten ser removidos. Algunos de estos mismos principios físicos y químicos se aplican en la formulación, producción, y uso de las Emulsiones Asfálticas [3]. El objetivo es elaborar una dispersión del cemento asfáltico y agua, suficientemente estable para el bombeo, almacenamiento prolongado y mezclado. Además la emulsión se debe romper rápidamente después del contacto con el agregado en el mezclador, o después del rociado en la carretera. Sobre el curado, el asfalto residual retiene toda la adhesión, durabilidad y resistencia al agua del cemento asfáltico con que fue producido. [pic] Fuente: Akzo Nobel Fig. Nº 7 Componentes de una Emulsiones Asfáltica 5.2.4.1 CLASIFICACION DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS Las Emulsiones Asfálticas están divididas en tres categorías: catiónicas, aniónicas, y no iónicas. En la práctica, los dos primeros tipos son ordinariamente usados en la construcción y mantenimiento de carreteras. Sin embargo, las emulsiones no iónicas podrán ser más extensamente usadas como avance la tecnología de las Emulsiones. Las clasificación de Emulsiones aniónicas y catiónicas están referidas a las cargas eléctricas alrededor de las partículas del Asfalto. Este sistema de identificación esta basado en una de las leyes básicas de electricidad – cargas iguales uno a otro se repelen y cargas desiguales se atraen. Cuando dos polos (Un ánodo y un cátodo) son inmersos en un líquido y una corriente eléctrica es pasada a través de el, el ánodo se carga positivamente y el cátodo se carga negativamente. Si una corriente es pasada a través de una Emulsión conteniendo partículas de Asfalto cargadas negativamente ellos migrarán al ánodo, la Emulsión está referida como aniónica. Inversamente partículas de Asfalto cargadas positivamente migraran al cátodo y la Emulsión e conocida como catiónica. Con Emulsiones no iónicas, las partículas de Asfalto son neutrales por consiguiente no migraran a ningún polo [3]. Las Emulsiones están clasificadas, en base a como el Asfalto rápidamente puede cualescer; es decir, revertir el Asfalto. Los términos RS, MS, y SS son adoptados para simplificar y estandarizar esta clasificación. Ellos son solo términos relativos y quieren decir: Rapid Setting, Médium Setting, y Slow Setting. La tendencia a coalescer está estrechamente relacionada a la mezcla emulsión-árido. Una Emulsión de ruptura rápida (RS) tendrá pequeña habilidad para mezclarse con el agregado. Una Emulsión de ruptura media (MS) tendrá buen desempeño a la mezcla con cuarzo pero no con agregados finos, y una Emulsión de ruptura lenta (SS) está diseñada para mezclarse con agregados finos. Las Emulsiones están subdivididas por una serie de números relacionados a la viscosidad de la Emulsión y la dureza de la base del Cemento Asfáltico. La letra ―C‖ al frente del tipo
de Emulsión denota catiónica, la ausencia de la letra ―C‖ denota aniónica o no iónica. Por ejemplo, RS-1 es aniónica o no iónica y CRS-1 es catiónica [3]. Cuatro grados de Emulsiones aniónicas de alta flotación Rapid-Setting, están añadidos en la especificaciones de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM). Estos grados son usados primariamente en plantas de mezclas en frío y caliente, tratamiento de capas con agregados de cuarzo, y mezclas de carreteras. Emulsiones de alta flotación tienen una calidad específica que permiten un espesor de película de revestimiento sin peligro de escurrimiento. Un tipo de Emulsión de rápida – fijación (QS) fue desarrollado para Slurry Seals. Su uso se a incrementado debido a su propiedad de rápida fijación y para resolver uno de los mayores problemas asociados con el uso de Slurry Seals. El Estándar de especificación para emulsiones de Rápida fijación está bajo desarrollo. Adicionalmente, algunas Emulsiones son hechas con el Asfalto dispersado en agua, usualmente un asfalto líquido. Estos son llamados ―Emulsión invertida‖ . Sus especificaciones técnicas se detallan en la Norma ASTM D 977-98 (cuadro Nº 9). 5.2.4.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE EMULSIONES ASFALTICAS CUADRO 9 [pic] [pic] Fuente: Manual Básico de Emulsión Asfáltica -Instituto del Asfalto La ―h‖ que sigue ciertos grados significa que una base Asfáltica dura fue usada. La ―HF‖ precediendo ciertos grados de MS indica alta-Flotación, determinada por la prueba de Flotación (ASTM D 139 o AASHTO T 50). Emulsiones de Alta flotación tienen una calidad, impartida por la adición de ciertos químicos, que permite un espesor de película de Asfalto en las partículas de agregados con una mínima probabilidad de drenaje. Ciertas agencias usuarias especifican un grado adicional catiónico mezclado-Arena designado como CMS2s, que contiene más solvente que otros grados catiónicos. Todos los grados en esta larga lista de Emulsiones no pueden ser almacenadas sin problemas por la mayoría de los productores. Planificación y comunicación entre el usuario y el productor ayuda facilitar el servicio y suministro de estos productos. Las especificaciones confeccionadas de Emulsiones Asfálticas (ASTM D 977 y AASHTO M140) no mencionan de un solvente en la Emulsión. Especificaciones de Emulsiones catiónicas CRS y CMS (ASTM D 2397, AASHTO M 208), en cambio, permiten solventes pero restringen la cantidad. Estándares de Especificación para Emulsiones Asfálticas llevan las designaciones ASTM D 977 y D 2397 y designaciones AASHTO M 140 y M 208 por conveniencia. La emulsión asfáltica debe ser homogénea. Después de 30 días de su despacho no debe mostrar separación por enfriamiento y debe tener un comportamiento homogéneo después de ser completamente mezclado [3]. 5.2.5 ASFALTOS MODIFICADOS CON POLIMEROS Los Asfaltos convencionales obtenidos por destilación al vacío de crudo reducido presentan cualidades muy especiales: Resistencia la envejecimiento por las condiciones atmosféricas, flexibilidad, cualidades aglutinantes, resistente al agua, álcalis y ácidos;
estas propiedades lo convierten en materiales exclusivos en la construcción de pavimentos. La predominancia de cualquiera de estas características está íntimamente ligada a la calidad del crudo y al proceso de refinación. Los crudos parafínicos producen asfaltos de alta susceptibilidad térmica, la selección de crudos puros o mezcla de crudos de optima composición química que atenúen este problema es muy importante. A pesar del estudio en la aplicación específica de los diversos grados de asfaltos según las condiciones climatológicas de las regiones, en los últimos tiempos el aumento de la intensidad del tráfico, la aplicación de cargas que exceden las especificaciones de diseño de la carpeta asfáltica y las condiciones atmosféricas han generado deterioro prematuro de las redes viales [8, 9]. En estas condiciones las desventajas del uso de los asfaltos convencionales en el diseño de carpetas Asfálticas para la construcción de carreteras son básicamente las siguientes: • ALTA SUSCEPTIBILIDAD TERMICA DEL ASFALTO. Fisuración por fatiga (Deformación permanente o Ahuellamiento) generado por cargas en pavimentos blandos, delgados muy rígidos sujetos a altas deflexiones por cargas repetidas, en gran medida esta respuesta está ligada al asfalto. También cabe mencionar las características específicas del diseño de la carpeta asfáltica como la granulometría y forma de los agregados gruesos, exceso de finos, densidad de la mezcla y espesor de la carpeta inadecuados como factores que contribuyen al fisuramiento por fatiga. • FISURACION POR BAJA TEMPERATURA Es el deterioro causado por las condiciones adversas del medio ambiente: los gradientes térmicos en tiempos muy cortos, aguas superficiales y subterráneas, radiación solar ocasionan degradación del Ligante Asfáltico. La fatiga por bajas temperaturas se forma cuando una capa de pavimento asfáltico se contrae en climas fríos, originando tensiones de tracción dentro de la capa. En algún lugar a lo largo del pavimento la tensión de tracción excede la resistencia de tracción y la capa asfáltica se fisura. Obviamente este problema es un fenómeno acumulativo de varios ciclos climáticos fríos y lluviosos. Superar estos problemas nos lleva a formular Ligantes Modificados con Polimeros para mejorar las propiedades reológicas y de desempeño de los ligantes convencionales, aumentando de esta manera la vida útil del pavimento en servicio. Dependiendo del polímero modificador (Plastomero o Elastomero) las características que estos imparten a los asfaltos son los siguiente: Aumento del Punto de Ablandamiento Incremento del Indice de Penetración Incremento del Indice de plasticidad Mejora la susceptibilidad térmica Mejora la adherencia en los áridos
▪ Mejora la resistencia al envejecimiento. Para que estas propiedades se den en toda su extensión es necesario que exista Compatibilidad entre el Polímero y el Asfalto. 5.2.5.1 MODIFICACION DE ASFALTOS EN CALIENTE Los polímeros modificadores de cementos Asfálticos son principalmente de dos clases: Polímeros elastómericos tales como: Estireno-Butadieno, Estireno-Butadieno-Estireno, Estireno-Butadieno-Rubber. polímeros plastómericos, tales como: Etil Vinil Acetato (EVA), Polipropileno, Poliestireno, etc. Estos polímeros se pueden mezclar directamente con el Asfalto caliente (aproximadamente a 170°C) para formar un Asfalto modificado con Polímeros (AMP), pudiéndose emplear diferentes técnicas de mezcla. En todos los casos se tendrá que asegurar la Compatibilidad del Polímero y el Asfalto, y en los casos en que el polímero contenga agua esta pueda evaporarse completamente. Normalmente suele mezclarse el polímero con el asfalto en caliente utilizando un Tanque mezclador provisto de agitador y escape de aire, que trabaje a presión atmosférica. Para la obtención por proceso continuo de AMP se puede trabajar por el procedimiento siguiente dejando en claro que no es el único. 5.2.5.2 OBTENCION DE ASFALTO MODIFICADO CON POLIMERO (AMP) Por este procedimiento el polímero se va incorporando continuamente a un tanque mezclador (fig Nº 8). El Asfalto Modificado con Polímero resultante, circula a través de un tanque de almacenamiento de tamaño relativamente grande. El polímero se adiciona mediante dosificadores automáticos. El agitador debe estar construido y colocado de forma tal que no produzca turbulencias fuertes. Si el polímero contiene agua este se debe evaporar en la superficie del asfalto y las partículas del polímero se deben distribuir uniformemente en el asfalto caliente. Como el agua que se evapora forma espuma en la superficie del asfalto, el tanque solamente puede estar lleno hasta la mitad o como máximo hasta los dos tercios de asfalto. La temperatura de mezcla depende del tipo de asfalto y del contenido previsto de polímero. El agregado de Polímero aumenta la viscosidad de la mezcla teniéndose que aumentar también, como es lógico, la temperatura. Las tuberías para el polímero y para el asfalto caliente deben estar colocadas de modo que no se produzcan turbulencias en la superficie del asfalto dentro del tanque mezclador [8]. Fig.Nº 8 Planta de Asfaltos Modificados 1 Tanque mezclador de asfalto caliente 2 Serpentín de calefacción 3. Tanque de almacenamiento del polímero 4 Bomba de membrana 5 Filtro 6 Condensador EJEMPLO DE TIEMPOS DE MEZCLA Y CANTIDADES UTILIZABLES PARA EL POLIMERO ELASTOMERO BUTONAL NS 175
Capacidad de tanque Mezclador aproximado …………………………….. 20 Tn Capacidad del tanque De almacenamiento aproximado ………………….. 3 x 200 Tn Adición de polímero Butonal NS 175 …………….. 500 Lts/h Tiempo de mezcla con el 2% de Butonal NS 175, polímero sólido ………………….. 24 horas Cantidad de AMP (con 2% de polímero) …………. 400 Tn Se precisa un tiempo adicional para asegurar que la mezcla resulte homogénea. Dicho plazo de tiempo depende de la intensidad de la agitación y de la viscosidad del AMP. En el caso que el polímero contenga agua la incorporación del polímero depende de la velocidad de evaporación del agua. Este proceso se acelera si el tanque mezclador es de gran superficie y la temperatura es elevada. 5.3 FUNCIONES DEL ASFALTO DE PAVIMENTACION Dos son las funciones más importantes de los asfaltos de pavimentación y son: AGLUTINANTE, Consiste en proporcionar una íntima ligazón entre los agregados pétreos, capaz de resistir la acción mecánica de desagregado producida por la aplicación de carga de los vehículos en la superficie de rodadura y la estructura de la carpeta [4]. IMPERMEABILIZANTE, Garantiza un pavimento verdaderamente eficaz contra la penetración del agua, proveniente tanto de las precipitaciones fluviales como la del subsuelo por capilaridad. FLEXIBILIDAD, Proporciona al pavimento características de flexibilidad por su gran cualidad mecánica de recuperación después de la aplicación de cargas un la superficie de rodadura. 5.4 PROPIEDADES QUE DEFINEN LAS CARACTERISTICAS DEL CEMENTO ASFALTICO Para la Ingeniería y la construcción de Pavimentos flexibles tres son las propiedades o características importantes del Asfalto: (1) Consistencia (llamado también viscosidad o fluidez), (2) pureza y (3) Seguridad. 1. CONSISTENCIA El Asfalto es un material termoplástico que se liquefacta gradualmente cuando es calentado. Se caracterizan por su consistencia o habilidad al flujo a diferentes temperaturas. La consistencia es un término usado para describir la viscosidad o grado de fluidez de un Asfalto a alguna temperatura en particular; sin embargo es necesario usar una temperatura estándar cuando comparamos la consistencia de un Asfalto con otro Asfalto. Esta propiedad es medida por la prueba de Viscosidad o Penetración. Cuando el Asfalto es expuesto al aire en una película delgada a elevada temperatura, por ejemplo durante la mezcla con el agregado tiende a endurecerse, es decir se incremente su consistencia o viscosidad [1]. Un límite de incremento es aceptable en las especificaciones. 5.4.2 PUREZA El Asfalto está constituido casi íntegramente por Bitumen. Que por definición es totalmente soluble en Bisulfuro de carbono (CS2), Tetracloruro de Carbono (CCl4) o Tricloroetileno (C2H5Cl3). Los Asfaltos obtenidos por proceso de refinación de Petróleo
son casi Bitumen puro y son usualmente más del 99.5% soluble en los químicos antes mencionados. Las impurezas presentes en estos materiales son inertes, es decir materia inorgánica [1]. Normalmente los Asfaltos están libres de agua, sin embargo en el proceso de almacenamiento y transporte puede contaminarse con Humedad (agua). Cuando esto sucede al ser calentados arriba de los 100°C forman espuma [6]. 5.4.3 SEGURIDAD La formación de espuma es un peligro de seguridad, las especificaciones requiere que los Asfaltos no formen espuma cuando son calentados a temperaturas superiores a 170°C (347°F). Cuados los Asfaltos son calentados a altas temperaturas liberan vapores que pueden causar inflamación en presencia de chispas a llama abierta. Esta temperatura en que esta ocurre es llamado punto de Inflamación y está por encima de las temperaturas normalmente usadas en la preparación de la mezcla y su colocación en la obra. Sin embargo se debe garantizar un adecuado margen de seguridad controlando el punto de inflamación del Asfalto [1]. 5.5 COMPORTAMIENTO DEL LIGANTE ASFALTICO El Asfalto por si mismo es un material de construcción atractivo. Su más importante característica, muchas veces una ventaja, a veces una desventaja, es su susceptibilidad térmica. Esto es, sus propiedades mesurables dependen de la temperatura. Por esta razón casi todos los ensayos de caracterización de Cementos Asfálticos y mezclas Asfálticas deben especificar la temperatura. Sin una temperatura de ensayo especificada, el resultado no puede ser efectivamente interpretado. El comportamiento del Cemento Asfáltico depende también del tiempo de aplicación de carga. Para la misma carga y el mismo asfalto, diferentes tiempos de aplicación de carga implicarán propiedades diferentes. Por ello, los ensayos sobre los cementos Asfálticos deben también especificar la velocidad de carga. Como el comportamiento del Cemento Asfáltico es dependiente de la temperatura y de la duración del tiempo de aplicación de carga, estos factores pueden intercambiarse (fig. Nº 9). Es decir, una baja velocidad de carga puede simularse con temperaturas elevadas y una alta velocidad de carga puede simularse con bajas temperaturas. Fig. Nº 9 Comportamiento del Asfalto- Dependencia tiempo/temperatura El cemento Asfáltico es llamado a veces material vis-elástico porque exhibe simultáneamente características viscosas y elásticas (fig.Nº 10). A altas temperaturas actúa como un fluido viscoso. Por ejemplo calentado a temperaturas elevadas (arriba de los 100°C), muestra la consistencia de un fluido viscoso. A muy baja temperatura, se comporta casi como un sólido elástico, es decir actúa como una banda de goma. Cuando es cargado se estira y cuando es descargado retorna fácilmente a su forma original. A una temperatura intermedia, que es la condición prevista en el pavimento tiene características de ambos estados, un fluido viscoso y un sólido elástico. Fig.Nº 10 Comportamiento del Asfalto con la variación de la temperatura
5.6 QUIMICA DE LOS CEMENTOS ASFALTOS DE PETROLEO Los Asfaltos están constituidos por materia orgánica, de esto, cerca del 95 a 99% en peso del asfalto esta compuesto de Carbono e Hidrógeno y por consiguiente es llamado un hidrocarburo. La porción remanente consiste de dos tipos de átomos: heteroátomos y metales. Los heteroátomos tales como Nitrógeno, Oxígeno y Azufre reemplazan átomos de carbono en la estructura molecular del asfalto. Estos heteroátomos contribuyen en sus propiedades física y químicas , causando muchas interacciones entre las moléculas. El tipo y cantidad de heteroátomos que existen en el asfalto es una función de la fuente del crudo. Los heteroátomos especialmente el azufre (S) cumplen un rol importante en el envejecimiento del asfalto, porque son químicamente más reactivos que el Hidrógeno y el Carbono y pueden oxidarse, incorporando fácilmente más oxígeno que los Hidrocarburos. También contribuyen en el envejecimiento la evaporación de hidrocarburos volátiles y la degradación asociada a la luz (foto degradación) [10]. Átomos metálicos tales como vanadio, níquel y fierro están presentes en cantidades de trazas. Típicamente menos del 1%. La importancia principal de los metales es que estos pueden indicar el agotamiento de la fuente de crudo. Los componentes del asfalto pueden ser separados y evaluados usando la solubilidad de varias moléculas en diferentes solventes. Fig.Nº 11 Tipos de moléculas en el Asfalto Los hidrocarburos, heteroatomos y metales están todos combinados en el asfalto en un amplio rango de diferentes moléculas. Cuando hablamos de hidrocarburos estos son básicamente tres grupos de moléculas: Alifaticas, Ciclicas y Aromáticas como las mostradas en la fig.11, sus tamaños varían con el número de átomos de carbono, que peden ir desde 20 átomos hasta cercanos a 100. Composición química elemental 80 – 85 % carbono 10 % hidrógeno 2 – 8 % oxígeno 1 – 7 % sulfuros Pequeñas cantidades de nitrógeno y otros metales. El análisis elemental de los asfaltos no es suficiente para predecir su desempeño en el pavimento, es necesario conocer la estructura molecular: • Tamaño de las moléculas y • Grado de asociación 5.6.1 CARACTERIZACION DE ASFALTOS POR CROMATOGRAFIA LIQUIDA (METODO ESTANDAR ASTM D 4124) En los procesos de refinación de petróleo, los productos de fondos de las unidades de vacío son muy viscosos, comúnmente llamados Residual de vacío; estos productos
constituyen los ligantes Asfálticos cuya composición química es muy compleja y variable dependiendo en gran medida del tipo de crudo y del mismo proceso de refinación. En la Actualidad existen técnicas cromatográficas que hacen posible conocer a estos productos por su composición química al separarlos en cuatro fracciones muy definidas de grupos de Hidrocarburos: Saturados, Nafteno – aromáticos, Polar – aromáticos y Asfaltenos. Cada uno de estas fracciones son decisivas sobre las características del desempeño de los Cementos Asfálticos en los pavimentos flexibles. 5.6.1.1 PRINCIPIOS DE CROMATOGRAFIA POR ADSORCION La fase estacionaria en la cromatografía en este caso por adsorción, es un material adsorbente poroso de una gran área superficial. Para el fraccionamiento de productos de petróleo adsorbentes polares tales como silica ( SiO2 ) o alúmina ( Al2O3 ) son los más convenientes, aunque adsorbentes no polares tal como carbón vegetal pueden ser usados. Los componentes de una muestra son atraídos a la superficie de la fase estacionaria por fuerzas intermoleculares reversibles. La fuerza de adsorción depende del adsorbente y los grupos funcionales presentes en la muestra, y la posición de equilibrio depende de la fuerza relativa de adsorción de la muestra y solvente [13]. 5.6.1.2 CROMATOGRAFIA EN ASFALTOS SOLIDOS Método de fraccionamiento de los componentes de una muestra de Asfalto que se distribuyen en dos fases: una de las fases es de lecho estacionario de una amplia área superficial y alta polaridad, la otra es la fase móvil líquida que percola a través del lecho estacionario. La muestra es transportada por una serie de solventes (sección 5.6.2.1) en la fase móvil a través del lecho de la columna. Los componentes de la muestra son selectivamente retenidos por la fase estacionaria. El flujo de la fase móvil es por gravedad manteniéndose constante a través de todo el proceso y de esta manera se logra que los grupos de hidrocarburos de la mezcla sean eluidos de la columna en fracciones de acuerdo al grupo funcional ( Saturados, Nafteno – Aromáticos y Polar – Aromáticos ); disueltos en la fase móvil. A esta técnica se le llama CROMATOFRAFIA por ELUCION. Uno de los inconvenientes de esta técnica es el largo tiempo de análisis requerido, que muchas veces puede ser horas e incluso días. Otra desventaja es que el material de relleno se utiliza por lo general una sola vez debido a que parte de la muestra usualmente se adsorbe en forma irreversible. Fig. Nº 12 Columna Cromatográfica para separar Asfaltos por Adsorsión-Elusión 5.6.2 TECNICAS Fraccionamiento de los cementos asfálticos El fraccionamiento de los cementos asfálticos, se realiza en un intento de conocer la estructura química de los asfaltos. El fraccionamiento se realiza lavando el asfalto en solventes de polaridad creciente y pueden ejecutarse mediante las siguientes técnicas [11]: Análisis de Schweller – Traxler
Análisis de Rostler – Sternberg Análisis de Corbertt Cromatografía de permeabilidad en geles a) Fraccionamiento Schweller – Traxler • Separación con Butanol separa el asfalto en asfaltenos y parafinas/cíclicos • La acetona separa cíclicos y parafinas. • No es muy empleado por la toxicidad de la acetona. b) Fraccionamiento Rostler – Sternberg • El Pentano: separa el asfalto en asfaltenos y solución conteniendo HC solubles en el Pentano. • La solución se separa variando la concentración de ácido sulfúrico en: Bases nitrogenadas en el asfalto. • Ampliamente empleada: Norma estándar ASTM D2006 c) Fraccionamiento Corbett • El n-Heptano: separa el asfalto en asfaltenos y maltenos (petrolenos) • Los asfaltenos caen al fondo de la columna de aluminio • Los maltenos se pegan a los lados de la columna de aluminio Los petrolenos (maltenos) se separan en: • Acromáticos polares • Aromáticos nafténicos • Saturados • Ampliamente empleado: Norma estándar ASTM D4124, la misma que se desarrolla en la sección 5.6.1.1. d) Cromatografía por permeabilidad en geles • Consiste en el análisis de tamaños moleculares. Las moléculas más grandes abandonan antes que las más livianas 5.6.2.1 PROCESO DE FRACCIONAMIENTO DE CORBETT De las diversos técnicas de fraccionamiento del Asfalto en sus componentes genéricos o grupos de hidrocarburos el método de Corbett es el más usado. La muestra es separada en dos fracciones por precipitación de los asfaltenos en un solvente parafínico como el n-heptano: la fracción correspondiente a los Asfaltenos (Insolubles en n- heptano) es recuperado por filtración y cuantificado gravimetricamente, y la fracción correspondiente a los Petrolenos (Solubles en n- heptano) son fraccionados en una columna cromatográfica de lecho fijo compuesto de alunima activada de acuerdo al esquema Nº 1 . ESQUEMA Nº 1 SEPARACION DEL BITUMEN EN CUATRO FRACCIONES BITUMEN (ASFALTO) n- heptano
Asfáltenos Maltenos (Petrolenos) (Al2O3) Alumina n- C6 Tricloroetileno MeOH/Tolueno ( 50:50 ) Saturados Polar-Aromáticos Nateno-Aromáticos Los Petrolenos, son adsorbidos en la Alúmina activada y fraccionados en los siguientes grupos de hidrocarburos: Saturados, Nafteno - Aromático y polar- Aromático, y eluidos por solventes de polaridad creciente en la columna . Estas fracciones son recuperadas por remoción del solvente y finalmente cuantificados gravimetricamente [13]. Los hidrocraburos saturados no son absorbidos en la fase estacionaria en presencia de nheptano y son eluidas por este solvente como la primera fracción. Los nafteno – aromático son absorbidos por la fase estacionaria y desorbidos por tolueno y una mezcla de (1:1) tolueno/ metanol como segunda fracción, la función específica del metanol es disminuir la actividad de la fase estacionaria. La tercera fracción de polar aromático es desorbida por tricloroetileno. El punto de corte entre la fracción de Saturados y Nafteno – Aromáticos se realiza cuando los anillos de color amarillo de Nafteno- aromáticos llegan al final del lecho, el punto de corte entre los Nafteno – aromáticos y los polar aromáticos son mas notorios y se realiza cuando los anillos negros de los polar aromáticos alcanzan el fondo del lecho. El cuadro Nº 10 muestra los volúmenes de solventes usados en este ensayo [6]. CUADRO Nº 10 SEPARACION DE LOS PETROLENOS VOLUMENES DE ALIMENTACION A LA COLUMNA FRACIONES RECIBIDAS EN CONTENEDORES TARADOS SOLVENTE DE ELUCION ml FRACCION ELUENTE ml ( A ) n-heptano 200 Saturados (S) 300 Tolueno 100 Tolueno 300 Nafteno-Aromáticos 600 Methanol/tolueno 50/50 300 (N-A) Tricloroetileno 600 Polar-Aromáticos (P-A) 600 + Columna hold - up …… hold -up
A) Aproximadamente los volúmenes eluentes desde los puntos de corte pueden ser ajustados y poder variar el volumen retenido ( Hold - up ). 5.6.2.2 COMPONENTES QUIMICOS del asfalto según CORBETT De acuerdo al análisis de Corbett el asfalto esta compuesto por: • Asfaltenos • Aromáticos polares • Aromáticos nafténicos • Saturados a) Asfaltenos, principales características • Alto peso molecular ,varios anillos aromático - polares • Algunos anillos aromático - nafténicos • Varios grupos funcionales • Alta polaridad • Fácil de lavar con solventes aromáticos y parafínicos clorados. • Susceptible a la oxidación. c) Aromáticos polares, principales características • La mayoría aromáticos bencénicos con algunos anillos nafténicos que forman anillos 3 D por medio de lazos de acoplamiento. • Alta polaridad debido a alta concentración enlaces de carbono simples y dobles • Varios grupos funcionales d) Aromáticos nafténicos, principales características • La mayoría anillos nafténicos y pocos grupos funcionales. c) Saturados • Cadenas alifáticas 5.6.3 EFECTOS DE LA ESTRUCTURA QUIMICA EN LAS PROPIEDADES FISICAS DEL ASFALTO Los átomos se combinan para formar moléculas, a través de fuertes enlaces covalentes. Estas moléculas pueden interactuar unas con otras para la formación de otras con muchos tipos de enlaces débiles. Este tipo de interacciones son importantes para la química y la tecnología del asfalto porque ellos son responsables de las propiedades físicas y químicas del asfalto. Tres tipos de enlaces débiles pueden discutirse, estos enlaces requieren relativamente energía pequeña para romperse y son susceptibles a las fuerzas mecánicas y al calor. Estos tres tipos de enlaces son [10]: • Enlaces pi –pi • Enlaces de Hidrógeno (o polar) • Fuerzas de Van der Waals Los enlaces pi-pi e hidrógeno están ilustrados en la fig.Nº 13. Las moléculas aromáticas forman pilas debido a su forma plana, y los electrones en los anillos aromáticos interactúan con otro distinto para formar enlaces pi-pi. Esta interacción es única para los núcleos y moléculas aromáticas.
Fig Nº 13 Tipos de enlaces Químicos en el Asfalto Las moléculas que contienen heteroátomos son generalmente polares y juegan un rol importante en las propiedades físicas del asfalto porque interactúan con otras moléculas a través de la formación de enlaces de hidrógeno. Esto ocurre cuando un heteroátomo en una molécula interactúa con un átomo de hidrógeno próximo a un heteroátomo de otra molécula diferente. Esto está ilustrado en la fig.Nº 13. Es probable que los enlaces de hidrógeno sean la forma más importante de interacciones moleculares débiles en el asfalto. Las fuerzas de Van der Waals son las últimas formas de interacciones débiles entre las moléculas que son importantes en la química del Asfalto. En este tipo de enlaces muy débiles, cadenas largas de hidrocarburos alifáticos se entrelazan y están unidos débilmente. Este tipo de enlace depende de la cantidad y tipo de moléculas alifáticas, así como los enlaces pi-pi dependen de la cantidad y tipo de moléculas aromáticas, y los enlaces de hidrógeno dependen del numero de heteroátomos. Todos estos tipos de enlaces débiles se rompen fácilmente por calor y fuerza y ellos pueden nuevamente formarse cuando las moléculas se enfrían o la fuerza es removida. Esta propiedad de formación y ruptura de enlaces débiles entre las moléculas del asfalto es la clave para comprender las propiedades físicas del asfalto. Esto explica como el asfalto fluye libremente como un líquido a altas temperaturas (arriba de 220°F), donde virtualmente todas las moléculas existen como entidades individuales. Es importante recordar que los enlaces entre átomos para formar las moléculas como las de la fig.Nº 11 son enlaces covalentes y ellos no se rompen o forman durante los procesos que normalmente el asfalto es colocado. Los enlaces covalentes son de 10 a 100 veces más fuerte que los enlaces débiles entre moléculas. Todos los hidrocarburos, heteroátomos y metales están combinados dentro de miles de diferentes moléculas formando el asfalto, cada asfalto es una única asociación de estas moléculas y estas moléculas cambian cuando el asfalta se envejece. Los heteroatomos están incorporados dentro de las moléculas alifáticas, cíclicas y aromáticas y ellos afectan el comportamiento de las moléculas individuales, como también la formación de asociación de moléculas. Como corolario de todo lo mencionado podemos hoy tener un mejor entendimiento de la composición química del asfalto. En términos simples hoy podemos CRARACTERIZAR QUIMICAMENTE el ASFALTO como sigue [10]: 1. El asfalto esta constituido por dos familias (y solamente dos) funcionales de Moléculas. • Polares • No polares 2. Las moléculas polares varían de acuerdo a: • Fuerza y número de grupos (más asociación) • Peso molecular de los grupos • Grado de aromaticidad (# de anillos del benceno) 3. Las moléculas no polares varían de acuerdo a: • Peso molecular de los grupos • Grado de aromaticidad (# de anillos del benceno)
4. ―Compatibilidad‖ de las fracciones polar y no polar, o el grado con que ellos se disuelven unas en otras, es controlado por el grado de aromaticidad (como medida de la cantidad de moléculas aromáticos versus moléculas alifáticas y cíclicas) de las dos fracciones. 5.6.3.1 MOLECULAS POLARES VERSUS MOLECULAS NO POLARES Todas las moléculas en el asfalto deben estar en una de estas dos formas. Si ellos son polares a temperaturas de servicio, ellos participan en la formación de redes a través de enlaces pi-pi e hidrógeno para dotarle al asfalto propiedades ELASTICAS. Las molécula no-polares forman el cuerpo del material en que la red este formada y contribuye a la propiedad viscosa en el asfalto. Si consideramos al asfalto similar a un spaghetti, los materiales no polares sirven como la crema, mientras las moléculas polares actúan como la pasta. Las moléculas polares interactúan para formar las hebras del spaghetti, que están rodeando y flotando en la crema no polar. Por su puesto hay un amplio rango de polaridades de moléculas que van desde muy polares a no polares en el asfalto. Se pueden determinar estos dos grupos por medio de métodos analíticos de separación que veremos posteriormente [10]. 5.6.3.2 MOLECULAS POLARES Participan en la formación de la red de asociación de moléculas y abarcan un amplio rango de tamaños y tipos de moléculas. Ellos contribuyen en el desempeño del asfalto a través de la red. Las moléculas que no forman parte de la red son consideradas materiales no polares en este modelo. La contribución más importante de las moléculas polares es la fuerza relativa y el número de sitios polares por molécula porque está directamente afectando la formación de la red. La cantidad de material polar presente en el asfalto puede ser determinado por técnicas analíticas llamadas ―Titulación ácido-base no acuoso‖. En este método la muestra es disuelta en un solvente no acuoso y la cantidad de ácidos y /o bases presentes son determinados por titulación en el asfalto total o la fracción seleccionada. Para la determinación de la cantidad de ácido en una muestra por titulación, pequeñas cantidades de base son añadidas para que reaccione con los ácidos de la muestra. El exceso de base en la solución indica que todo el ácido a reaccionado. La cantidad de base añadida a la muestra es entonces proporcional al ácido presente en la muestra. El proceso es simplemente inverso para determinar la cantidad de base presente. Un segundo parámetro importante de las moléculas polares es su grado de aromaticidad. Esto puede determinarse por una técnica de análisis de resonancia magnética nuclear (NMR). En este análisis la muestra es sometida a un intenso campo magnético y la respuesta del material es medido. Debido a los enlaces pi-pí, las moléculas aromáticas tienen muy distinta señal en el análisis de Resonancia Magnética Nuclear ( NMR). Es probable que el peso molecular de las moléculas polares no es un parámetro importante en el control del desempeño del asfalto como los otros dos factores de fuerza y/o polaridad y aromaticidad [10]. 5.6.3.3 MOLECULAS NO POLARES Una importante característica de las moléculas no polares es su peso molecular porque esto afecta directamente las propiedades de cracking a baja-temperatura del asfalto. La preponderancia de altos pesos moleculares de las moléculas polares puede indicar que el
asfalto se hace más rígido y presentan un pobre desempeño en servicio a bajas temperaturas. La concentración de aromáticos de carácter no polares es también importante. Si estos no polares son ceras (un tipo de moléculas alifáticas) ellos pueden precipitar y cristalizar a bajas temperaturas contribuyendo a un pobre desempeño. Si los no polares son naturaleza cíclica o aromática entonces ellos pueden resistir los efectos de baja temperatura. 5.6.3.4 COMPATIBILIDAD Las moléculas no-polares son también importantes para el desempeño de los asfaltos porque ellos son las sustancias en que las moléculas polares pueden interactuar. Como tal ellos se combina con la red polar, y su compatibilidad con las moléculas polares deben ser considerados. Químicamente si las moléculas son similares ellos pueden fácilmente mezclarse y ser compatibles. En el otro extremo, si ellos son totalmente diferentes ellos pueden ser incompatibles, y las moléculas no pueden permanecer en solución. La determinación de la aromaticidad mencionada anteriormente puede ser importante porque la compatibilidad de los dos tipos de moléculas pueden tener un efecto en el desempeño del asfalto [10]. 5.6.3.5 MOLECULAS ANFOTERAS EN EL ASFALTO Se define químicamente un material anfotérico como uno que muestra un carácter ácido o básico. Cuando este término es aplicado al asfalto es que, algunas moléculas que lo constituyen tienen en su estructura grupos funcionales ácidos y básicos. Un ejemplo de esto puede ser un ácido carboxílico (COOH) y un solfoxido (S=O) en la misma molécula del asfalto. Fig. Nº 13 Tipos de Moléculas Anfóteras Fig. Nº 14 Tipos de moléculas anfoteras En la fig. Nº 14 se muestra el caso de dos moléculas anfóteras en el asfalto. La primera es una molécula aromática que tiene tres heteroátomos en su estructura, incluyendo el grupo fenol (O-H unido al anillo) un grupo sulfoxido (S=O), y una cetona (C=O). la segunda es una molécula alifática que contiene un ácido carboxílico (COOH) y un grupo mercaptano (SH). Cuando el asfalto se envejece los heteroátomos incorporan oxígeno dentro de se molécula o a través de átomos de carbono químicamente activos (átomos de carbono que están localizados adyacentes a un anillo aromático). Algunas moléculas en el asfalto no envejecido pueden ser no polares, por ejemplo hay moléculas alifáticas en el asfalto que contienen azufre y son no polares, pero al oxidarse forman sulfoxidos que son débilmente básicos, y pueden participar en asociaciones polar-polar. Similarmente, el carbono es no polar, pero puede oxidarse hasta carbonilo (C=O), y pueden entonces comportarse como un sitio polar en el asfalto envejecido (fig. 14). 7. MODELOS DE ESTRUCTURA QUIMICA DEL ASFALTO En los EE. UU en 1987 la Strategic Higway Research Program (SHRP), inicio un programa de Investigación de 5 años con el objetivo de obtener nuevas especificaciones
de Ligantes y mezclas con la finalidad de ayudar la regulación de especificaciones de performance de Concretos Asfálticos en caliente (Hot-mix asphalt concrete). El programa de la SHRP de investigación de Asfaltos fue lograr una gran variedad de procedimientos experimentales, todos enfocados al entendimiento de cómo la química del ligante afecta las propiedades de la mezcla y el desempeño de los pavimentos flexibles. Como resultado de estas investigaciones se uso el modelo micelar como punto de inicio para este diseño experimental y luego se caracterizo el ligante con el modelo continuo SHRP [10]. 1. MODELO MICELAR ( Nellestyn) Es un punto de partida usado como modelo para describir la estructura del asfalto. En este modelo los aromáticos asfaltenos existen como una fase discreta en el asfalto y están rodeados (y solubilizados) en resinas, es decir grandes moléculas de asfaltenos, rodeadas por aromáticos polares y no polares suspendidas en aceites saturados. Todos los constituyentes peptizados en una solución coloidal fig.15. Fig. Nº 15 Modelo Micelar de la estructura química del Asfalto El modelo original micelar fue construido para la interpretación de la relación de los parámetros químicos y el desempeño del asfalto. 5.7.2 TECNICAS DE Análisis químico avanzado PARA ASFALTOS a) En el Programa ― Superpave Highway Research Program‖ (SHRP) se deseaba saber: 1.-Tamaño de las moléculas 2.- Polaridad de las moléculas 3.- Número de moléculas b) En el Programa ― Superpave Highway Research Program‖ (SHRP) se empleó las siguientes técnicas: 1.- Cromatografía de exclusión de tamaños (SEC) 2.- Cromatografía de intercambio de iones (IEC) 3.- Resonancia magnética nuclear (NMR) b.1 Cromatografía de exclusión de tamaños (SEC) En este método el asfalto es disuelto en un solvente y es pasado a través de una columna, conteniendo un lecho poroso con poros de tamaño uniforme (tamiz molecular). Se emplea tolueno como solvente en la fase móvil. Las moléculas más pequeñas fluyen dentro de los poros y son retenidas debido a la trayectoria más larga que toman en pasar a través de ella. Inversamente, las moléculas más grandes no ingresan dentro los poros y pasan más rápidamente a través del lecho en la columna [10, 11]. Esta técnica separa el asfalto en dos fracciones (llamadas SEC I y SEC II). EL SEC I contiene las moléculas asociadas y el SEC II consiste de moléculas ―solventes‖. El principio de la Cromatografía de Exclusión de Tamaños (SEC) es separar las moléculas del asfalto basadas en su tamaño molecular; análisis adicionales han demostrado que la mayoría de los materiales polares presentes en el asfalto se encuentra en SEC I y los materiales no polares están en la fracción SEC II. b.2 Cromatografía de intercambio de iones (IEC)
Técnica analítica de cromatografía de Intercambio de iones aplicada a asfaltos para comprender la relación entre su química, propiedades físicas y desempeño. En este método el asfalto es disuelto en un solvente y pasado a través de una serie de resinas de intercambio iónico, donde las moléculas polares son retenidas en el lecho de resina de acuerdo a su carácter ácido o básico. Las moléculas no polares no son retenidas en la resina y son recolectadas como una fracción separada. La importancia del método IEC es que, por primera ves permite separar las moléculas del asfalto basados en su polaridad. El IEC permite finalmente describir la estructura fundamental del asfalto y genera un nuevo modelo basado en su química [11]. b.3 Resonancia magnética nuclear (NMR) Evalúa el grado de aromaticidad aplicando un campo magnético. Observa la resonancia de la molécula y cuantifica el grado y cantidad de aromáticos. 5.7.3 MODELO SUPERPAVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM (SHRP) Como resultado del uso de los análisis de Cromatografía de Intercambio Iónico (IEC), Cromatografía de Exclusión de Tamaños (SEC) y otras técnicas de caracterización, una nueva concepción, de la relación entre la química del asfalto y su desempeño se desarrollo rápidamente. Estos nuevos resultados químicos, en combinación con la evaluación de la respuesta del asfalto a la aplicación de fuerza y esfuerzo de corte, es el principio de la interpretación de hoy de la relación de las propiedades químicas y físicas y el desempeño del asfalto. Los pavimentos están compuestos de múltiples materiales que en conjunto contribuyen en el desempeño del pavimento. También las prácticas constructivas, el medio ambiente, tráfico, duración de carga y características de la base de la carpeta juegan un rol importante en el desempeño final del pavimento. Para entender, la relación entre la química del asfalto y su funcionamiento en el pavimento, estas variables adicionales no producen ningún efecto de confusión [10]. Fig. Nº 16 Modelo SHRP del Asfalto Como podemos ver el asfalto está compuesto por dos clases de moléculas (polares y no polares). Las moléculas polares interactúan con cada uno de las otras moléculas a través de interacciones de enlaces polar-polar y enlaces de hidrógeno, formando asociaciones, que crean una red dentro de las moléculas ―solventes‖ no polares. Ambas moléculas polares y no polares tienen una significante contribución en las propiedades físicas del asfalto y como consecuencia el su desempeño en el pavimento. La fig 16 ilustra como las moléculas polares interactúan con las no polares ―solventes‖. Las diferentes formas en la fig 13 representan las asociaciones de moléculas polares en el asfalto. Ellas tienen diferentes formas y tamaños, y están rodeados por las moléculas no polares (que no se muestran en la ilustración). Los sitios polares en la asociación de moléculas interactúan con uno y otro formando enlaces débiles. Las asociaciones de moléculas polares toman lugar en sitios polares en las moléculas del asfalto a través de enlaces de hidrógeno (interacciones polar-polar), mientras otras interacciones toman lugar a través de enlaces pi-pi de anillos aromáticos e interacciones Van der Waals de cadenas largas de hidrocarburos. Mientras esta variedad de formas de interacciones tienen lugar
simultáneamente, confirma que la mayoría de asfaltos de propiedades viscoelásticas resulta de las interacciones polar –polar de estas asociaciones de moléculas. Las moléculas polares y no polares están como una mezcla homogénea, no como islas flotantes o estructura coloidal. Desde que los enlaces entre moléculas polares son débiles, ellos están constantemente rompiéndose y formándose cuando el asfalto es sometido a calentamiento y/o esfuerzo. Es importante recordar que todas las interacciones entre las moléculas del asfalto son débiles, y los enlaces pueden romperse por la acción del calor o esfuerzo de corte. Este concepto de interacciones débiles entre las moléculas del asfalto explica como el asfalto a altas temperaturas se comporta como un fluido Newtoniano (esto es, su cambio de viscosidad es proporcional a la cantidad de cambio de temperatura), y como él exhibe un comportamiento dependiente a la carga y la temperatura. Debido a la naturaleza débil de las fuerzas de enlace pi-pi y polar-polar, estas pueden ser constantemente rotas y reformadas, y nunca formaran el mismo material otra vez. La demostración de esto es conocida, cuando el asfalto es disuelto en un solvente. Igual si el oxígeno es rigurosamente excluido y la pérdida de materiales volátiles es cuidadosamente controlada, las propiedades físicas del ―asfalto reconstituido‖ no son las mismas que las del material original. Esto es porque el solvente rompe los enlaces pipi y polar-polar, y cuando el solvente es removido los enlaces reforman un nuevo modelo, produciendo un nuevo asfalto con nuevas propiedades. El efecto puede ser sustancial en le caso de muestras recuperadas de pavimentos en que el asfalto estuvo sometido a ataques de oxidación, pérdida de moléculas volátiles y los efectos del solvente residual [10]. 5.8 ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO El envejecimiento del ligante asfáltico es un proceso complejo, envuelve varias reacciones que ocurren simultáneamente. Como la oxidación de heteroátomos o sitios activos de carbono y pérdida de materiales de bajo peso molecular que dependen de las condiciones ambientales y la temperatura. Cuando el asfalto se envejece, el peso molecular y la cantidad de moléculas solventes no polares se reducen. Esta reducción ocurre debido a la volatilización y a la conversión de átomos no polares tales como un hidrógeno benzilico a un grupo polar carbonilo. Estos nuevos sitios polares formarán asociaciones con otros materiales polares [10]. 5.8.1 MECANISMOS DE ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO Los mecanismos del envejecimiento del asfalto son los siguientes: a) Pérdida de volátiles b) Formación de Sulfóxidos (S=O) c) Oxidación( C=O) formando los siguientes compuestos químicos: • Acetonas • Carbonilos • Fenoles • Ácidos carboxílicos d) Acción de los rayos ultravioletas e) Acción de microorganismos f) Acción del agua
5.8. 2 Pérdida de volátiles El rol de la volatilización en el envejecimiento del asfalto es también importante, porque esto afecta las propiedades físicas y consecuentemente su desempeño en el pavimento. Los cementos asfálticos pierden componentes volátiles con el tiempo por: • Exposición a la atmósfera • Elevadas temperaturas • El cemento asfáltico se rigidiza al perder volátiles 5.8.3 Oxidación En el proceso de oxidación el carbono se oxida a carbonilo (C=O) y los átomos de azufre (S) se oxidan a sulfóxidos (S=O) Los sulfóxidos aumentan la rigidez del cemento asfáltico. Es una reacción de tiempo – espacio de segundo orden. Tiene una difusa reacción controlada. Se puede modelar por ensayos del laboratorio a temperaturas de 163°C (RTFOT) o TFOT. La oxidación aumenta el tamaño y complejidad de las moléculas de los cementos asfálticos transformándose los: Aromáticos polares a asfaltenos, Aromáticos nafténicos a polares aromáticos y primariamente produce carbonilos y cetonas [11]. Reactividad relativa de los componentes químicos con el oxígeno • Asfaltenos:40 • Aromáticos polares:32 • Aromáticos nafténicos:7 • Saturados:1 5.8.4 Otros mecanismos de envejecimientos del asfalto Incluye: • La acción de los rayos ultravioleta (rompe los lazos químicos) reacción fotoquímica). • La acción de microorganismos (digieren compuestos). • Acción del agua (rompe mecánicamente la estructura química). 5.9 APLICACIONES DE LOS CEMENTOS ASFALTICOS El Asfalto es un material Termoplástico, ideal para aplicaciones en el diseño de mezcla para carpetas asfálticas de pavimentación de: carreteras, aeropuertos, zonas de parqueo, canchas de tenis, caminos. También es ampliamente usado como impermeabilizante en: Techos, piscinas, redes de pesca, canales de regadío, cañerías. Por su alta resistencia eléctrica (baja conductividad) es usado como material aislante. Las principales técnicas de aplicación de los asfaltos en los pavimentos flexibles son: 5.9.1 CAPAS ASFÁLTICAS DE PROTECCION Tratamiento asfáltico que, por sus condiciones de mezcla solo protege, otorgando gran resistencia a la acción abrasiva del transito e impermeabilidad superficial. Podemos considerar la siguientes capas de protección más usadas en el medio: Sellos.- Tratamientos superficiales delgados, utilizados para mejorar e impermeabilizar la textura superficial de un pavimento.
Tratamientos superficiales , dobles o múltiples.- Son dos o más aplicaciones de asfaltos alternados con aplicaciones de agregados de hasta 2.5 cm de espesor. 5.9.2 RIEGOS ASFALTICOS Son aplicaciones delgadas y uniformes de algún tipo de ligante en estado líquido sobre superficies, ya sean de pavimentos existentes, bases estabilizadas o de suelos. Según su función, los más importantes son: Riego matapolvo.- Es un riego de asfalto líquido sobre una superficie compactada. Su objetivo es cohesionar las partículas superficiales del suelo y servir de paliativo del polvo. Se efectúa en caminos de tercer orden, como preparación de una mejora progresiva del camino. Imprimación.- Es un riego de asfalto líquido de baja viscosidad sobre una base estabilizada que va a ser recubierta por una carpeta de cualquier tratamiento asfáltico. Tiene por objeto sellar la superficie, cohesionar las partículas superficiales sueltas de la base, dar estabilidad superficial,, para dar una interfase firme para adherir fuertemente al tratamiento asfáltico o carpeta. Imprimación reforzada.- Consiste en la aplicación de una imprimación de una superficie de material granular, seguida de un segundo riego de ligante; que puede ser del tipo de asfalto cortado o emulsionado de quiebre rápido, para luego aplicar una capa de arena uniformemente distribuida, finalizando el proceso con una compactación con rodillo de neumáticos. Riego de liga (Tack coat).- Es un riego de asfalto para adherir una capa asfáltica sobre otra, confeccionada previamente o ―antigua‖, quedando ligadas monolíticamente. Sello Negro (Fog seal).- Es una aplicación ligera de un asfalto líquido sobre una carpeta asfáltica antigua con el fin de rejuvenecerla y sellar pequeñas grietas y poros superficiales. También suele usarse en tratamientos superficiales recién confeccionadas mejorando la retención de áridos. 5.9.3 CAPAS ASFÁLTICAS ESTRUCTURALES Las capas asfálticas estructurales son aquellas que, por condiciones de mezcla y espesor forman una estructura resistente computable en el diseño del espesor de un pavimento flexible. Las capas asfálticas estructurales, y por consiguiente las mezclas asfálticas que las componen, se pueden clasificar de acuerdo a los siguientes parámetros [12]: De acuerdo a su posición relativa en la estructura del pavimento, se pueden distinguir tres capas asfálticas: a) Carpeta de rodado.- Formado por una capa asfáltica normalmente cerrada y diseñada para resistir la abrasión y desintegración por efectos ambientales y de tránsito. b) Carpeta intermedia.- Formado por una mezcla asfáltica abierta y de graduación densa o gruesa, colocada sobre la base asfáltica. Recibe a la carpeta de rodado. c) Capa base.- Formada por una mezcla asfáltica generalmente abierta y de graduación gruesa, colocada sobre la base granular o sub-rasante a la cual se le superpone la capa intermedia y /o la capa de rodado. Según la granulometría la mezclas asfálticas pueden clasificarse como:
a) Mezclas de graduación fina b) Mezclas de graduación densa c) Mezclas de graduación gruesa d) Mezclas de graduación abierta Según el porcentaje de huecos en la mezcla: a) Mezclas abiertas : Huecos mayor al 5% b) Mezclas cerradas: Huecos menor al 5% Según la temperatura de confección: a) Mezclas en caliente b) Mezclas en frió Según el método constructivo: a) Mezclas en sitio b) Mezcla en planta. 5.9.1 RESTRICIONES DE EMPLEO Las siguientes restricciones se aplican estrictamente en asfaltos: sólidos, Líquidos, Modificados con polímeros [1, 14]: 1. Los Asfaltos Sólidos no pueden ser calentados encima de 170°C, siendo una temperatura ideal obtenida por la relación Temperatura Vs Viscosidad. Este límite evita un posible craqueo térmico o envejecimiento prematuro del asfalto. 2. No deben ser aplicados en días de lluvia, en temperaturas ambiente menor de 10°C y en superficies mojadas. 3. No deben ser aplicados, en el proceso de preparación de La mezcla en caliente en AGREGADOS húmedos y con polvos. 4. La condición más importante de su uso es la elección de su consistencia por su grado de PENETRACION o de VISCOSIDAD para un área geográfica específica, por ejemplo Asfaltos blandos PEN 120/150 (penetración entre 120 a 150) tienen buen desempeño en climas de Altura (fríos) con altos gradientes térmicos, mientras los Asfaltos duros PEN 40/50 (baja penetración) tienen buen desempeño en climas tropicales y lluviosos. 5.10 ENSAYOS DE CONTROL DE CALIDAD DE ASFALTOS SÓLIDOS 5.10.1 ENSAYO DE VISCOSIDAD (METODO ASTM D 2170 Y 2171) Normalmente la especificaciones para cementos asfálticos por grado de viscosidad están basados en rangos de viscosidad a 60°C (140°F) y una viscosidad mínima a 135°C (275°F). El propósito para describir valores límites de consistencia a estas dos temperaturas son: La temperatura de 60°C como la temperatura máxima aproximada de la superficie del pavimento en servicio en los EE.UU y otras partes del mundo. La temperatura de 135°C (275°F) fue elegida como una temperatura aproximada de mezcla y colocación de pavimentos de asfaltos en caliente. Breve descripción del ensayo Se mide el tiempo de flujo de un volumen fijo de muestra a través del capilar en un viscosímetro de vidrio, instalado en un baño termostatico (fig. Nº 17), bajo una carga de
reproducibilidad asegurada y a una temperatura estrictamente controlada. El volumen de muestra conforme a la Norma ASTM D 2170 es de 1 a 3 centímetros cúbicos dependiendo del tamaño del capilar. Los capilares poseen meniscos de lectura en los que se determinan el inicio y el fin de la prueba. Estos capilares son del tipo flujo inverso o de brazo cruzado con constantes de calibración para el calculo de la viscosidad a todas las temperaturas (fig. Nº 17). La viscosidad cinemática es luego calculada multiplicando el tiempo de flujo a través del capilar en segundos por la constante del capilar. Fig. 17 Nº Equipo para el Ensayo de Viscosidad DEFINICIONES: Viscosidad La viscosidad es una medida de la resistencia del fluido a derramarse o fluir por el interior de un conducto. En general, se definen dos tipos de viscosidad la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática. Viscosidad dinámica Se define como: [pic] Donde [pic]es la tensión tangencial (se opone al movimiento) y [pic]es la dirección normal al movimiento. La unidad fundamental en el sistema c.g.s. es al poise, definido como: [pic] En la práctica, se utiliza el centipoise, que es la centésima parte de un poise. Viscosidad cinemática se define como: [pic] donde [pic]es la densidad del fluido. La unidad fundamental es el stoke [pic] Las unidades en el sistema internacional cgs (SI) es mm2/seg ó Centiestoke (1, cSt = 102 st). Cálculos Calcular la viscosidad cinemática con tres números significativos, usando la siguiente ecuación: Viscosidad Cinemática, cSt = Cxt Donde: cSt = Viscosidad cinemática, centiestoke C = Constante del capilar, cSt/seg y t = Tiempo de flujo en segundos
Ecuación de la Viscosidad versus la Temperatura según la Norma ASTM D 341 [pic] (1) donde: [pic] (2) [pic] es la viscosidad cinemática, cSt (o mm2/seg), [pic]es la temperatura absoluta , °K o °R A y B constantes para cada Asfalto en particular y Los coeficientes [pic]son, a su vez, funciones de [pic] [pic] Si la viscosidad no es demasiado baja, algunos de los términos se pueden despreciar. Para calcular la viscosidad a una temperatura intermedia, se pueden utilizar la expresiones más simples como las ecuaciones 3 y 4 para encontrar las constantes A y B de la ecuación 1. Z = [pic] + 0.7 + exp (-1.47 -1.84[pic] - 0.51[pic]2) (3) [pic] = (Z – 0.7) – exp [-0.7487 – 3.295(Z – 0.7) + 0.6119 (Z – 0.7)2 – 0.3193 (Z – 0.7)3] (4) Encontrada las constantes A y B se reemplazan en 1 obteniéndose una ecuación de Viscosidad vs Temperatura y trazar un gráfico como el de la fig. Nº 18 . Se puede determinar en el Laboratorio la viscosidad a 2 o más temperaturas y obtener un gráfico Viscosidad – Temperatura, la pendiente de esta línea es una indicación de la susceptibilidad térmica. Ejemplo: Viscosidad a@ 100°C, cSt = 2,440 Viscosidad a@ 135°C, cSt = 294 [pic] Fig Nº 18 Carta Viscosidad – Temperatura 5.10.2 ENSAYO DE PENETRACION (METODO ASTM D 5) Es una medida empírica de la consistencia. Basado en este ensayo los Cementos Asfálticos son clasificados dentro del Estándar por Grado de Penetración ASTM D 946 • Breve descripción del ensayo La muestra es calentada y enfriada bajo condiciones controladas. La penetración es determinada con un penetrómetro por medio de una aguja estandarizada que penetra en la muestra bajo condiciones especificadas. Fig. 19 Equipos y materiales para el ensayo de penetración • Preparación de la muestra y ensayo Calentar la muestra cuidadosamente hasta alcanzar suficientemente fluidez, agitar cuando sea posible para evitar sobrecalentamiento local. La temperatura de calentamiento no debe exceder en 60°C sobre la temperatura del punto de ablandamiento. Trasegar al contenedor de muestra y dejar enfriar por 1 a 1.5 h a temperatura ambiente al final de este período colocar la muestra en el BAÑO
TERMOSTÁTICO de la fig N° 19 a una temperatura de 25 ±0.1°C por 1 a 1.5 h, finalmente colocar la muestra en el equipo y ejecutar la prueba. • Condiciones del ensayo Cuando las condiciones de la prueba no están específicamente mencionadas se debe entender que: la temperatura, carga y tiempo de aplicación de carga son de 25°C, 100g, 5 segundos respectivamente, como se muestra en el diagrama esquematico Nº 2. ESQUEMA Nº 2 Ensayo de Penetración Ocasionalmente, la prueba de penetración puede ser realizada a diferentes temperaturas. Cuando esto ocurre, la carga de la aguja y el tiempo de Penetración pueden ser variados. • Reporte de resultados Se debe reportar el promedio de 3 penetraciones realizadas en la misma muestra, a las mismas condiciones especificadas y, equidistantes a no menos de 10 mm una de otra y a su vez a no menos de 10 mm de distancia del lado del contenedor de la muestra. Estas tres Penetraciones para ser promediadas no deben diferir de los siguientes valores: |Penetración, 0.1 mm |0 a 49 |50 a 149 |150 a 249 |250 a 500 | |Máxima diferencia entre la mayor y menos penetración |2 |4 |12 |20 | 5.10.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA (ASTM D 70) La gravedad específica es determinada por el método del picnómetro. La muestra es calentada cuidadosamente, agitándolo para prevenir sobrecalentamiento local, hasta que la muestra esté suficientemente fluida para ser trasegar. No calentar más de 30 minutos, evitar incorporar burbujas de aire dentro de la muestra. Fig. Nº 20. Picnómetro Tomar los siguientes pesos cercanos a 1 mg: A = Peso del picnómetro completamente limpio y seco, gr. B = Peso del Picnómetro completamente lleno de agua destilada fresca a la temperatura de prueba (Temperatura del Laboratorio), gr. C = Peso del Picnómetro parcialmente lleno de muestra (aproximadamente ¾ del volumen del picnómetro), después de haber enfriado a temperatura ambiente, gr. D = Peso del picnómetro más muestra y enrasado con agua destilada a la misma temperatura anterior. Calculo de la gravedad específica: Gravedad Específica = ( C – A )/[ (B – A ) – ( D – C ) ] 5.10.4 PUNTO DE INFLAMACION (ASTM D 92) Una copa de prueba es llenada con la muestra hasta el menisco a una temperatura de 60 ºC por encima de su punto de ablandamiento. La copa de prueba con la muestra es colocada en el probador Cleveland Open Cup Flash Tester (fig. Nº 21) y se inicia el calentamiento a una velocidad de 2ºC/min. En una posición radial respecto a la copa de prueba está instalado la llama de prueba el que se pasa sobre la superficie de la muestra cada 2ºC de elevación de temperatura. A la temperatura a la que al aplicar la llama de
prueba se produce un flash instantáneo se reporta como el Punto de Inflamación del producto. Fig. Nº 21 Equipo Automático de Punto de Inflamación Capa Abierta Cleveland 5.10.5 DUCTILIDAD (ASTM D 113) La muestra calentada hasta suficiente fluidez evitando sobre calentamiento y completamente agitada, es colocada en unos moldes de bronce de forma especificada. La muestra en el molde es enfriada a temperatura ambiente por 30 min, luego es colocada en un baño con agua a 25ºC por 30 min al final de este período los moldes son sacados del baño para cortar el exceso de muestra. Seguidamente se retornan al baño de 25ºC, entre 80 a 90 min; finalmente los moldes son colocados en el baño de agua a 25ºC de la maquina de prueba (Ductilímetro) y se inicia la elongación de la muestra a una velocidad constante de 5 cm/min. La distancia en cm a la que se rompen, se reporta como la Ductilidad de la muestra como sigue: Ductilidad a 25ºC, 5cm/seg, cm = valor registrado en la prueba (cm). Fig.22 Ductilimetro y ensayo de ductilidad 5.10.6 SOLUBILIDAD (ASTM D 2042) En un matraz de 250 ml de capacidad previamente tarado se pesa aproximadamente 2 gr de muestra, calentado suavemente para dispersar la muestra en el fondo del mismo. Enfriado a temperatura ambiente es añadido al matraz 100 ml de Tricloroetileno agitado hasta disolución total de la muestra y colocado en un baño de agua a 38º C. Tratamiento del Crisol Gooch; en el fondo del crisol Gooch se instala un filtro delgado de fibra de vidrio y, este conjunto es colocado en el horno a una temperatura de 110 ± 5 ºC por 15 minutos, se deja enfriar en un desecador y luego es pesado con aproximación a 0.1 mg. Se almacena en el desecador hasta antes de su uso. El crisol Gooch anteriormente tratado y pesado es instalado en un embudo de filtración, a través del cual se filtra la muestra preparada en el matraz. Seguidamente se enjuaga con una pequeña porción de tricloroetileno hasta que el filtrado pase transparente. El crisol Gooch es colocado en el horno a 110 ± 5º C por no menos de 20 minutos, enfriado en un desecador por 30 ± 5 minutos y pesado hasta obtener un peso constante. Se reporta cerca a 0.1% como sigue: Insolubles, % masa = (A/B) x 100 Donde: A = Peso total de Insolubles y B = Peso total de muestra. 5.10.6 PUNTO DE ABLANDAMIENTO (ASTM D 36) Dos discos horizontales de bitumen, cargados en moldes de anillos de bronce, son calentados a una velocidad controlada en un baño líquido mientras cada uno soporta una bola de acero. El punto de ablandamiento es reportado como la medida de la temperatura
