Laboratorio 4 de Obras de Transporte
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Universidad Centroamericana "José Simeón Cañas"
Departamento de Mecánica Estructural
Obras de Transporte
Ciclo 01 2016
LABORATORIO Nº4:
Ensayo de Reblandecimiento, de Inflamación y de Penetración en materiales asfálticos.
PRESENTA:
Campos Carranza, Eugenia Guadalupe 00033612
Cañas Hernández, Héctor Javier 00508411
Urrutia Barrios, Daniel 00067212
Valle Henríquez, César Arístides 00053312
CATEDRÁTICO:
Ing. Néstor España
Fecha de Entrega: jueves 09 de junio 2016
Índice General:
1. Introducción: 1
2. Marco Teórico: 1
2.1. Punto de reblandecimiento en asfalto: 1
2.2. Ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland: 2
2.3. Ensayo de penetración en materiales bituminosos: 2
2.4. Normativas utilizadas: 3
3. Procedimientos del Ensayo: 4
3.1. Procedimiento del punto de reblandecimiento en el asfalto: 4
3.2. Procedimiento del ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland: 4
3.3. Procedimiento del ensayo de penetración en materiales bituminosos: 5
4. Datos Obtenidos: 5
4.1. Datos del punto de reblandecimiento en el asfalto: 5
4.2. Datos del ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland: 6
4.3. Datos del ensayo de penetración en materiales bituminosos: 6
5. Resultados Obtenidos: 7
6. Causas de Error: 7
7. Conclusiones: 7
8. Recomendaciones: 8
9. Bibliografía: 8
Índice de Tablas:
Tabla 1. Temperatura de reblandecimiento para distintos betunes. 2
Tabla 2. Penetración recomendables para diversos tipos de asfalto en décimas de milímetros (The Asphalt Institute, 1982). 3
Tabla 3. Datos obtenidos del ensayo de punto de reblandecimiento en el asfalto. 6
Tabla 4. Datos del ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland. 6
Tabla 5. Datos del ensayo de penetración en materiales bituminosos. 6
Índice de Ilustraciones:
Ilustración 1. Dispositivo de anillo y bola para la determinación del punto de reblandecimiento. 1
Introducción:
El siguiente reporte presenta la determinación del punto de reblandecimiento en el asfalto, el punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland del asfalto y el ensayo de penetración en materiales bituminosos.
El reporte inicia presentando los conceptos teóricos utilizados y las normativas rigentes. A partir ahí se muestra los distintos procedimientos utilizados así como el equipo, para luego presentar los resultados de los ensayos, sus análisis y sus consecuentes conclusiones.
Los objetivos a lograr con la prueba son: conocer la temperatura a la cual los materiales bituminosos se reblandecen de manera que empiecen a volverse fluidos y manejables, conocer las distintas definiciones de punto de inflamación y punto de llama en pruebas a productos del petróleo, practicar la determinación del punto de inflamación y el punto de llama en un producto asfáltico, conocer el equipo a utilizar en la prueba de penetración y conocer el tipo de material a utilizar acuerdo al tipo de obra y conocer el valor de penetración obtenido.
Marco Teórico:
Punto de reblandecimiento en asfalto:
Para poder trabajar y verter los materiales bituminosos es necesario conocer la temperatura a la cual estos dejan de ser un material espeso y quebradizo a un líquido blando y menos viscoso. Esto es dificultoso ya que estos materiales no tienen un punto de fusión definido por lo que es necesario encontrar dicha temperatura mediante su evaluación en el laboratorio.
Para encontrar el punto de reblandecimiento se utiliza un dispositivo de anillo y bola mostrado en la siguiente ilustración que consiste de dos anillos de cobre en los cuales se coloca una probeta en forma de disco de material bituminoso y sobre ellos 2 bolas con un peso de 3.05±0.05 g. El dispositivo se llena con agua a forma de baño para las probetas, la cual se va calentando poco a poco mediante el uso de un mechero. Los cambios de temperatura se van midiendo con la ayuda de un termómetro.
Ilustración 1. Dispositivo de anillo y bola para la determinación del punto de reblandecimiento.
El punto de reblandecimiento se encuentra entonces cuando la temperatura del agua contenida es tal que las probetas de material bituminoso seden ante el peso de las bolas y el material bituminoso se estira hasta tocar el fondo.
El dato de reblandecimiento es además de gran ayuda para clasificar los materiales asfálticos y como parámetro para controlar la uniformidad de los embarques o de la fuente de suministración.
La norma NLT 125 presenta unos rangos aproximados de temperatura de reblandecimiento en la siguiente tabla, para la clasificación de distintos betunes asfálticos.
Temperatura de reblandecimiento, en °C
Grado del betún
Mínima
Máxima
40-50
52
61
60-70
48
57
80-100
45
53
150-200
38
45
Tabla 1. Temperatura de reblandecimiento para distintos betunes.
Se debe de mencionar que en algunos materiales bituminosos, se les agrega algún aditivo por lo que sus temperaturas de reblandecimientos están comprendidas entre 80° y 157°C. Para estos casos se usa en el ensayo glicerina en vez de agua ya que la glicerina tiene un punto de ebullición mayor que 157°C.
Ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland:
El asfalto al calentarse produce vapores que son combustibles, los cuales al llegar hasta un punto determinado pueden provocar la ignición. El objetivo de este ensayo es determinar la temperatura en la cual los productos volátiles del asfalto provocaran una llama inicial y una llama constante en el tiempo, esto es para conocer los límites en los cuales es seguro trabajar con dicho material y eliminar así los peligros de incendio durante su manipulación.
Hay dos métodos para realizar este ensayo, con la copa abierta de Tagliabue, la cual se utiliza sobre todo cuando se trabaja con asfaltos rebajados de fraguado rápido y medio (Teoría de Asfaltos, 2016), o con la copa abierta de Cleveland el cual es el método que se realizó y es recomendable para asfaltos rebajados de fraguado lento.
ASTM D 92 define el punto de inflamación (flash-point), como la temperatura más baja corregida a una presión barométrica de 101.3 kPa a la cual la aplicación de una llama de prueba causa que el vapor de un espécimen haga ignición bajo condiciones de prueba especificadas. Asimismo define el punto de llama (fire-point), como la temperatura más baja a la cual el espécimen sustancialmente se quemará durante 5 s.
Ensayo de penetración en materiales bituminosos:
La prueba de penetración en materiales bituminosos se realiza con el objetivo de determinar la dureza o consistencia del material. Esta prueba es exclusiva para la clasificación de betunes asfálticos o residuos de destilación de asfaltos líquidos, se espera que entre mayor sea el valor de penetración menor será la consistencia y el poder ligante del material.
El equipo a utilizar debe cumplir con lo descrito en la norma ASTM D-5 la cual dicta las dimensiones de la aguja de penetración, temperatura de ensayo, procedimiento de preparación de muestra y la precisión de los resultados.
Para pavimentos asfálticos el instituto del asfalto ha establecido rangos de penetración dentro de los siguientes márgenes; 60-70, 85-100, 120-150 y 200-300 E-1mm. En la tabla (1) se establecen los rangos de penetración para cada uso en el pavimento:
Tabla 2. Penetración recomendables para diversos tipos de asfalto en décimas de milímetros (The Asphalt Institute, 1982).Tabla 2. Penetración recomendables para diversos tipos de asfalto en décimas de milímetros (The Asphalt Institute, 1982).
Tabla 2. Penetración recomendables para diversos tipos de asfalto en décimas de milímetros (The Asphalt Institute, 1982).
Tabla 2. Penetración recomendables para diversos tipos de asfalto en décimas de milímetros (The Asphalt Institute, 1982).
Normativas utilizadas:
AASHTO T-307-99: Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials: Normativa para la determinación del módulo de resilencia Mr en suelos y en materiales de agregado.
AASHTO T-48: Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials: Normativa para la determinación del módulo de resilencia Mr en suelos y en materiales de agregado.
ASTM D-92-12b: Standard Test Method for Flash and Fire Points by Cleveland Open Cup: Normativa para la determinación del punto de inflamación y de llama con la copa abierta de Cleveland.
ASTM D-36: Standard Test Method for softening point of bitumen (Ring-and Ball Apparatus): Normativa para la determinación del punto reblandecimiento de materiales bituminosos.
ASTM D-5-06: Standard Test Method for Penetration of Bituminous Materials: Normativa para la determinación de la penetración en materiales bituminosos.
Procedimientos del Ensayo:
Procedimiento del punto de reblandecimiento en el asfalto:
Primero se comienza ensamblando el aparato en el laboratorio con las probetas del material asfáltico y las guías de las bolas. Luego se procedió a llenar el dispositivo con el baño de agua, de manera que su altura fuera de 105±3 mm. Esta agua fue preparada anteriormente con hielo hasta lograr que tuviera una temperatura de 5±1°C. Posteriormente se colocaron las bolas en el dispositivo con la ayuda de unas pinzas. Los procedimientos antes mencionados fueron realizados por el encargado de laboratorio.
El siguiente paso fue colocar las bolas sobre las probetas con la ayuda de las pinzas y se encendió el mechero bajo el dispositivo. Se manipularon las válvulas de aire y de gas hasta lograr que la temperatura subiera a una temperatura de 5 ºC por minuto /min.
Finalmente se esperó a que la temperatura fuera tal que el material asfáltico cediera y se registraron dichas temperaturas.
Procedimiento del ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland:
Primero se debe enfriar la copa limpia, al menos 100 ºF por debajo del punto de inflamación esperado antes de usarlo, colocar el termómetro en una posición vertical con la parte inferior del bulbo de ¼" de la parte inferior de la copa y localizarla a un punto intermedio entre el centro y un lado de la copa en un diámetro perpendicular al arco de barrido de la llama de prueba y en el lado opuesto del brazo del quemador de la flama. Posteriormente Llenar la copa a alguna conveniente temperatura de tal forma que la parte superior del menisco esté justamente en la línea de llenado y destruir cualquier burbuja de aire en la superficie de la muestra, cabe mencionar que estos pasos fueron previamente realizados por el personal de laboratorio.
Luego Encender la llama de prueba y ajustarla hasta llegar a un diámetro de 1/8 a 3/16' se debe aplicar calor inicial de tal forma que la tasa de temperatura incremente de 25 a 30ºF/m, cuando la temperatura esté aproximadamente a 100 ºF por debajo del punto de inflamación anticipado, disminuir la aplicación de calor de forma que tal que la tasa de temperatura se eleve en los últimos 50 ºF antes del punto de inflamación sea de 9 a 11 ºF/min, en nuestro caso el punto de inflamación anticipado era de 550 ºF.
Aplicar la llama de prueba a intervalos de 5 ºF iniciando al menos 50ºF debajo del punto de inflamación,. Con un movimiento suave y continuo pasar la llama de prueba en la base de la copa, por un intervalo de 1s. El centro de la llama deberá moverse en un plano horizontal o en un arco circular y se tomara en cuenta cada vez que la llama pase por la copa en un sentido y el opuesto, continuar el procedimiento hasta que se presente el punto de inflamación.
Registrar la temperatura correspondiente al punto de inflamación observado. Continuar calentando la muestra a una tasa de 9 a 11 ºF /min y continuar la aplicación de la llama de prueba a intervalos de 5º F hasta que haga ignición y dejarla quemándose por al menos 5 s. Registrar esta temperatura como punto de llama.
Procedimiento del ensayo de penetración en materiales bituminosos:
Inicialmente se debe de preparar la muestra que será ensayada, para ello se vierte asfalto en un contenedor hasta una altura de 2cm aproximadamente. Luego se dejó secar al aire a una temperatura entre 15°C y 30°C por dos horas.
Luego se coloca el recipiente en un contenedor con agua destilada con una temperatura de 25°C ± 1°C por un período de una hora y media. Al finalizar el período de una hora y media se procedió a realizar el ensayo de penetración.
Primeramente se verificó que la base del penetrómetro estuviese nivelada y que la aguja de penetración estuviera limpia. Después se colocó la aguja en el penetrómetro y se instaló el recipiente de manera que la aguja estuviese justo por encima de la superficie asfáltica. Para poder realizar lo anterior se utilizó una lámpara para observar el movimiento de la aguja con respecto a la superficie asfáltica.
Habiendo colocado correctamente el equipo se procedió a soltar la aguja y para dejarla penetrar en el asfalto por 5 segundos, luego de esto se registró la lectura en el deformímetro.
Se repitió el ensayo descrito anteriormente hasta obtener tres valores de penetración, verificando que las penetraciones estuviesen separadas por más de 1cm. Si la diferencia entre el máximo y el mínimo valor de penetración es mayor a lo indicado en la tabla 10-5 de la norma ASTM D-5.
La aguja se debe limpiar con solvente después de cada ensayo.
Datos Obtenidos:
Datos del punto de reblandecimiento en el asfalto:
Punto de Reblandecimiento
Tasa de incremento de T
5
°C/min
Temperatura al fondo del primer anillo.
52.9
°C
Temperatura al fondo del segundo anillo.
52.9
°C
Diferencia
0
°C
Promedio
52.9
°C
Temperatura de punto de reblandecimiento
52.9
°C
Tabla 3. Datos obtenidos del ensayo de punto de reblandecimiento en el asfalto.
Datos del ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland:
Punto de Inflamación
645
°F
Punto de Llama
755°
°F
Tabla 4. Datos del ensayo del punto de inflamación y punto de llama por la copa abierta de Cleveland.
Datos del ensayo de penetración en materiales bituminosos:
Las siguientes mediciones fueron realizadas a una temperatura de 25°C, con un peso de 100 g y en un tiempo de 5 s.
Penetración
1
95
div
2
92
div
3
94
div
Prom
93.66
div
Prom
9.366
mm
Máxima Distancia entre la mayor y la menor penetración
4
Diferencia
3
div
Tolerancia
1
Rango de Tolerancia
0
a
2
Revisión
1
1.34
Cumple
2
1.66
Cumple
3
0.34
Cumple
Tabla 5. Datos del ensayo de penetración en materiales bituminosos.
Resultados Obtenidos:
Punto de reblandecimiento en asfalto
Diferencia entre lecturas del primer y segundo anillo:
52.9°C-52.9°C=0<1, Ok
Promedio de lecturas:
Promedio=52.9+52.92=52.9 °C
Ensayo de penetración en materiales bituminosos:
Promedio de lecturas:
Promedio=95+92+943=93.66 div
Tolerancia:
93.66100=0.9366 1 1±1
Comprobación de tolerancia:
93.66-95=1.34<2, Ok
93.66-92=1.66<2, Ok
93.66-94=0.34<2, Ok
Causas de Error:
Para el ensayo de punto de inflamación e ignición, el medidor de temperatura presentó algunos comportamientos extraños en los cuales la temperatura descendía entre 20 – 30 °F de forma abrupta, por lo que realmente no se conoce la velocidad en la que se dio el incremento de temperatura en estos intervalos. Si esto ocurre cerca del punto de ignición o llama, afectará directamente el resultado.
Conclusiones:
Se concluye con el ensayo de reblandecimiento que el betún estudiado se puede catalogar con betún de grado 60-70 acorde a la normativa NLT 125.
Con el ensayo de penetración se puede concluir que el asfalto estudiado es bueno para tráfico medio a ligero para climas cálidos áridos, cálidos húmedos y moderados. También es posible su uso para tráfico pesado pero en climas fríos que no alteren su resistencia.
Con el ensayo de penetración se puede concluir que el asfalto ensayado tiene una consistencia sólida, por lo que tiene buenas propiedades ligantes. Esto acorde a la tabla 10.4 de la guía de laboratorio.
Debido a su alta temperatura de punto de inflamación (645°F), mucho mayor a 450°F, se considera al asfalto analizado como un material semisólido y como un asfalto rebajado de fraguado lento.
Los resultados de penetración satisfacen el requerimiento de precisión definido en la norma ASTM D 5 ya que la diferencia máxima entre valores de penetración no sobrepasa el establecido en la tabla 10-5 y las discrepancias no son mayores a 2, por lo que los resultados se consideran aceptables.
Recomendaciones:
Para el ensayo de punto de punto de inflamación e ignición la llama que se pasa sobre el asfalto debería ubicarse más lejos del sensor de temperatura, ya que cuando la llama pasa cerca del sensor se refleja un pico (falso) de temperatura que complica el control de la tasa de incremento de temperatura dentro de la muestra.
En la prueba de penetración se recomienda revisar que la aguja se encuentre a 90° respecto de la horizontal para tener un ensayo que cumpla con la normativa.
Bibliografía:
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials. (1999). AASHTO T-307-99: Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials. Washington D.C.
AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials. (1999). AASHTO T-48: Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials.
ASTM: American Society for Testing and Materials. (1992). ASTM D-92-12b: Standard Test Method for Flash and Fire Points by Cleveland Open Cup.
ASTM: American Society for Testing and Materials. (1995). ASTM D-36: Standard Test Method for softening point of bitumen (Ring-and Ball Apparatus) .
ASTM: American Society for Testing and Materials. (2006). ASTM D-5-06: Standard Test Method for Penetratio of Bituminous Materials .
Teoría de Asfaltos. (6 de Junio de 2016). http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/10577/capitulo6.pdf. Obtenido de http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/10577/capitulo6.pdf
The Asphalt Institute. (1982). Manual del Asfalto. Madrid, España: Ulmo S.A. Editores.
