14/05/2011
MATERIALES BITUMINOSOS ASFALTOS DE PETROLEO
Ing. LUIS HORNA ARAUJO. ARAUJO.
ASFALTO DE PETROLEO Es el material resultante del proceso de destilación del crudo de petróleo, de consistencia sóli só lida da,, se semi misó sóli lida da o lí líqu quid ida, a, de co colo lorr ma marr rrón ón oscu os curo ro a ne negr gro o co comp mpue uest sto o bá bási sica came ment ntee po por r bitumen , el cu cual al es co comp mple leta tame ment ntee so solu lubl blee en bisulfuro de carbono C S 2. Es utilizado en pavimentación por sus propie pro piedad dades es agl agluti utinan nantes tes,, imp imperme ermeabi abiliz lizant antes, es, flexib fle xibili ilidad dad,, dur durabi abilid lidad ad y alta resi resisten stencia cia a los ácidos y álcalis en general.
1
14/05/2011
Obtención. Se obtiene apartir del crudo de petróleo de base asfáltica. No todos los crudos producen asfalto, debido a las diferentes proporciones de combustibles combustibles y asfaltos asfaltos que que lo componen. A su vez, los asf sfa altos se componen de asfalteno asfal tenos s y malte maltenos nos (ba (bases ses nitro nitrogena genadas, das, acid ac idaf afin ina as e hid idro roca carrbo bona nata tad dos os)). Se ha demostrado por ensayos de laboratorio que porcentajes del orden de 7% de asfaltenos caracterizan caracteriza n al crudo como tal.
DIAGRAMA DE FLUJO PARA ASFALTO DE PETROLEO Pozo de Petroleo Almacenamiento de Campo
Estación de Bombeo Destilados Livianos
PROCESO DE OBTENCIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ASFALTO POR DESTILACIÓN DEL CRUDO DE PETROLEO.
Torre de Destilación
Condensador y Enfriadores
Procesamiento Gasolina Solventes Livianos
Destilados Medianos
Kerosene Aceite Liviano de Quemador
Destilados Pesados Aceite Diesel AceitesLubricantes Calentador de Tubos
Unidad de Procesamiento
Resíduos
Refinería
Cementos Asfálticos
Almacenaje
Asfaltos Diluidos de Curado Lento y Aceites Para Caminos (Road Oil) (También Pueden PrepararseMediante Destilación Diresta) Mezclador Asfaltos Diluidos de Curado Medio
Destiladora Mezclador
Asfalto Oxigenado
Aire
Asfaltos Diluidos de Curado Rápido Mezclador
Estación de Bombeo
Asfaltos Emulsificados
Planta de Emulsiones
2
14/05/2011
Composición. Generalmente, un asfalto está Compuesto químicamente por los siguientes elementos: 80
– 85 % carbono
10
% hidrógeno
2
– 8 % oxígeno
1
– 7 % sulfuros
Pequeñas
cantidades de nitrógeno y otros metales.
Composición. Sin embargo, la composición química del asfalto es muy compleja, dado su origen, para simplificar podemos decir que está constituído por una suspención de ASFALTENOS peptizados por resinas, en un medio compuesto por aceites saturados y aceites AROMÁTICOS . Del porcentaje en que intervienen cada uno de los componentes dependen sus propiedades mecánicas y reológicas.
3
14/05/2011
Composición. Asfaltenos
Partículas bituminosas sólidas discretas (negras)
Alta viscosidad
Proveen elasticidad resistencia y adhesión
.
Composición. Maltenos • .Resinas ( aromáticas) Semisólidas o sólidas a temperatura ambiente Fluidas cuando se calientan, frágiles cuando se enfrían Proveen ductilidad ( visco elasticidad) • .Aceites saturados Liquidos incoloros Solubles en la mayoría de los solventes Aumentan la fluidez ( plasticidad ) Pueden contener ceras, que se se transforman en fase con el oxígeno.
4
14/05/2011
Características Asociadas. COMPONENTES
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES.
SATURADOS
Tienen valor negativo en la susceptibilidad térmica
NAFTENO - AROMÁTICOS
Componente ablandador. propiedades físicas.
POLAR ARMATICOS
ASFALTENOS
Mejora
las
Tienen valor negativo a la susceptibilidad térmica. Contribuyen a mejorar la Ductilidad. Mejora la dispersión de asfaltenos. Contribuye a mejorar la susceptibilidad térmica. Mejora la viscosidad a altas temperaturas. Son deseables en los asfaltos.
TIPOS DE ASFALTOS DE PETROLEO a) PARA PAVIMENTACIÓN
Cementos Asfálticos
Asfaltos Diluidos.
Emulsiones Asfálticas.
Asfaltos Modificado.
b) PARA USO INDUSTRIAL.
Asfaltos Oxidados.
5
14/05/2011
TIPOS TIPOS DE ASFALTOS USADOS EN PAVIMENTACION
Cemento asfáltico Generalmente es un material producido en refinería Cementos asfálticos soplados
Asfaltos
líquidos.
Cementos asfálticos licuados (cortados) con solventes derivados
del petróleo
Emulsiones Mezcla
Asfaltos
de cemento asfáltico, agua y agente emulsionante.
Modificados.
Cemento Asfáltico modificado mediante la adición de un aditivo que mejora sus propiedades .
Cemento Asfáltico (CAP) Es el material resultante del proceso de destilación del crudo de petróleo, de consistencia sólida, semisólida o líquida, de color marrón oscuro a negro compuesto básicamente por bitumen , el cual es completamente soluble en bisulfuro de carbono C S 2. Es utilizado en pavimentación por sus propiedades aglutinantes, impermeabilizantes, flexibilidad, durabilidad y alta resistencia a los ácidos y álcalis en general.
6
14/05/2011
Cemento Asfáltico (CAP)
El cemento asfáltico hasta hace poco, se ha venido clasificando bajo tres sistemas diferentes: viscosidad; viscosidad después de envejecimiento y penetración: PRUEBA
CLASIFICACIÓN - GRADO AC-2.5
AC-5
AC-10
AC-20
AC-30
AC-40
250±50
500±100
1000±200
2000±400
3000±600
4000±80 0
AR-10
AR-20
AR-40
AR-80
AR-160
1000±250
2000±500
4000±1000
8000±2000
16000±4000
PEN 40-50
PEN 60-70
PEN 85-100
PEN 120-150
PEN 200-300
40-50
60-70
85-100
120-150
200-300
VISCOSIDAD 60°C, poises. VISCOSIDAD 60°C, poises (sobre residuo del ensayo RTFO)
PENETRACI ON 25°C
Cemento Asfáltico (CAP) En la actualidad, como resultado del programa SHRP ( Strategic Highways Research Program) desarrollado por AASHTO, la determinación{on del topo de asfalto a utilizar se hace en función al grado de desempeño del cemento asfáltico que esta intima-mente ligado a la temperatura de la zona de trabajo
7
14/05/2011
Especificación de Asfaltos Superpave El sistema de graduación se basa en el Clima
PG 64 - 22 Grado de Performance Promedio de los 7-días máx. temperatura del pavimento
Temperatura Min. Del Pavimento
SELECCIÓN DE GRADOS DE ASFALTO SUPERPAVE Altura ≤ 500 – 2400 m.s.n.m. PG 52 –10 PG 58 – 10; 58 – 16 PG 64 –10 Altura entre 2400 – 4400 m.s.n.m. PG 46 – 10; 46 – 16, 46 - XX PG 52 – 10, 52 –16, 52 – 28. PG 58 – 10 Alturas mayores de 4400 m.s.n.m. PG 46 – 10, 46 – 16, 46 – XX Alturas entre 80 – 1000 m.s.n.m. PG 52 – 10 PG 58 – 10
CORTESIA
PG 64 - 10
CORTESIA OAT-MTC
8
14/05/2011
EG 2000
ESPECIFICACIONES DEL CEMENTO ASFALTICO CLASIFICADO POR PENETRACION GRADO DE PENETRACION CARACTERISTICAS
40 - 50
ENSAYO
60 - 70
85 - 100
120 – 150
Mín.
Máx.
Mín.
Máx.
Mín.
Máx.
Mín.
Máx.
Penetración 25 ºC, 100g, 5s, 0.1 mm.
MTC E 304
40
50
60
70
85
100
120
150
Punto de Inflamación COC, ºC
MTC E 312
232
-
232
-
232
-
218
-
Ductilidad, 25 ºC, 5 cm/min ,cm
MTC E 306
100
-
100
-
100
-
100
-
Solubilidad en triclorcetileno, % masa
MTC E 302
99
-
99
-
99
-
99
-
-
0.8
-
0.8
-
1.0
-
1.5
MTC E 304
55
-
52
-
47
-
42
-
MTC E 306
-
-
50
-
75
-
100
-
-1.0
+1.0
-1.0
+1.0
-1.0
+1.0
-1.0
+1.0
MTC E 316
Susceptibilidad Térmica Ensayo de Película Delgada en Horno, 3.2 mm, 163ºC, 5hrs Perdida de masa, % Penetración del residuo, % de la penetración origina. Ductibilidad del residuo, 25 ºC, 5cm/min ,cm.
Índice de Susceptibilidad térmica Ensayo de la Mancha con solvente Heptano – Xileno 20% (opcional)
MTC E 314
Negativo
Negativo
Negativo
Negativo
Asfaltos Líquidos (Cortados) Curado
Rápido (RC) (Naphtha o Gasolina)
Alta volatilidad del solvente
Riego de liga, tratamientos superficiales
Curado
Medio (MC) (Kerosene)
Moderada volatilidad
Mezclas para parches
Curado
Lento (SC) (Aceites de baja viscosidad)
Baja volatilidad
Imprimación, control de polvo
9
14/05/2011
EG 2000 REQUISITOS DE MATERIAL BITUMINOSO PARA
CURADO RAPIDO (AASHTO M – 81)
CARACTE RISTICAS Viscosidad Cinemática a 60ºC, mm 2/s Punto de Inflamación (TAG, Copa abierta) ºC Destilación, Volumen total destilado hasta 360 ºC, % Vol. .A 190 ºC .A 225ºC .A 260 ºC .A 316 ºC
RC – 70
E NSAYO
RC – 250
RC – 800
Mín
Máx
Mín
Máx
Mín
Máx
MTC E 301
70
140
250
500
800
1600
MTC E 312
-
-
27
-
27
-
MTC E 313
Residuo de la destilación a 360 ºC
10 50 70 85
-
35 60 80
55
-
15 45 75
65
-
75
EG - 2000
Cont….. RC – 70 CARACTERISTICAS Pruebas sobre el residuo de la destilación Ductilidad a 25 ºC, 5cm/min, cm. Penetración a 25 ºC, 100 gr., 5 seg. (*) Viscosidad absoluta a 60ºC, Pa.s Solubilidad en tricloetileno, %
Contenido de agua, % del volumen
ENSAYO
MTC E 306 MTC E 304 MTC E 302
Mín
100 80 60 99
-
RC – 250
RC – 800
Máx
Mín
Máx
Mín
120 240 -
100 80 60 99
120 240 -
100 80 60 99
0.2
-
0.2
-
Máx
120 240
0.2
10
14/05/2011
Emulsiones Asfálticas.
Partícula con carga negativa
Partícula con carga positiva
DISPERSION DE LAS PARTÍCULAS DE ASFALTO EN MEDIO ACUOSO
COMPONENTES DE LA EMULSION CEMENTO ASFALTICO El cemento asfáltico es el elemento básico de la emulsión asfáltica y en la mayoría de los casos, constituye entre un 50 y un 75% de la emulsión. Si bien la dureza de la base de cemento asfáltico puede variar, la mayoría de las emulsiones es hecha con asfaltos con un rango de penetración 60 – 250. En ocasiones, las condiciones climáticas pueden requerir una base asfáltica más dura o más blanda. En cualquier caso, la compatibilidad química entre el agente emulsivo y el cemento asfáltico es esencial para la producción de una emulsión estable.
11
14/05/2011
AGUA El segundo componente en una emulsión asfáltica es el agua. Su contribución a las propiedades deseadas en el producto final no puede ser minimizada. El agua puede contener minerales u otros elementos que afectan la producción de emulsiones asfálticas estables. Consecuentemente, el agua potable puede no ser adecuada para las emulsiones asfálticas. El agua encontrada en la naturaleza puede ser inadecuada debido a las impurezas, sea en solución o en suspensión coloidal. Preocupa particularmente la presencia de iones de calcio y de magnesio. Estos iones favorecen la formación de una emulsión catiónica estable. De hecho, frecuentemente se adiciona cloruro de calcio a las emulsiones cationicas, con el objetivo de aumentar la estabilidad durante el almacenamiento.
AGENTES EMULSIVOS Las propiedades de las emulsiones asfálticas dependen en gran medida en los agente químicos utilizados como emulsivos. El emulsivo es un agente tensio- activo o surfactante. El agente emulsivo mantiene las gotitas de asfalto en suspensión estable y controla el tiempo de rotura. Es también el factor determinante en la clasificación de las emulsiones como aniónicas, catiónicas o no-ionicas.
12
14/05/2011
Emulsiones Asfálticas. El
Emulsificante da la carga superficial a las gotas de asfalto suspendidas en agua Aniónica Carga
Negativa
Alcalina Buena
con gravas calizas (carga positiva)
Catiónica Carga
Positiva
Acida Buena
con gravas silíceas (carga negativa)
Identificación de las Emulsiones Asfálticas Emulsión Asfáltica Aniónica
Emulsión Asfáltica Catiónica
(ASTM D977, AASHTO M140)
(ASTM D2397, AASHTO M208)
RS – 1 (RR – 1) RS – 2 HFRS – 2 MS – 1 (RM – 1) MS – 2 MS – 2h HFMS – 1 HFMS – 2 HFMS – 2h HFMS – 2s SS – 1 (RL – 1) SS – 1h
CRS – 1 (CRR – 1) CRS – 2 --------CMS – 2 (CRM – 2) CMS – 2h ----------------CSS – 1 (CRL – 1) CSS – 1h
13
14/05/2011
EG - 2000 RANGOS DE TEMPERATURA DE APLICACIÓN (ºC) TIPO Y GRADO DE ASFALTO
RANGOS DE TEMPERATURA En Esparcido o Riego
En mezclas Asfálticas (1)
Asfaltos Diluidos: MC – 30 RC – 70 o MC – 70 RC – 250 o MC – 250 RC – 800 o MC – 800
30 50 75 95
Emulsiones Asfálticas CRS – 1 CRS – 2 CMS – 2 CMS –2h; CSS – 1;CSS – 1h
50 –85 60 –85 40 –70 20 –70
50 –60 20 –70
140 máx. (4)
140 máx. (4)
Cemento Asfáltico Todos los grados
–(2) –(2) –(2) –(2)
60 – 80(3) 75 – 100(3)
(1) Temperatura de mezcla inmediatamente después de preparada. (2) Máxima temperatura en la que no ocurre vapores o espuma. (3) Temperatura en la que puede ocurrir inflamación. Se deben tomar precauciones para prevenir fuego o explosiones. (4) Se podrá elevar esta temperatura de acuerdo a las temperaturas – viscosidad del fabricante.
ASFALTOS MODIFICADOS Se denomina así a los asfaltos obtenidos generalmente, por la combinación de productos químicos, polímeros u otros materiales y cementos asfálticos compatibles entre sí, que modifican sus propiedades mecánicas y reológicas. Esta combinación permite la obtención de mezclas con mayor durabilidad y elasticidad .
14
14/05/2011
Tipos de aditivos. Los polímeros listados no son los únicos, sin embargo son los mas utilizados dentro de un amplio rango de productos. La mayoría de polímeros pueden ser de dos tipos: Los
que mejoran las propiedades plásticas del asfalto. Los que mejoran las propiedaes elásticas del asfalto.
Aditivos En El E l Asfalto
Tipos de aditivos del asfalto
Polímeros
Fillers extendedores
Antioxidantes
Anti-strip
Rejuvenecedores
15
14/05/2011
Funciones del Asfalto de Pavimentación El asfalto, usado en pavimentación cumple dos funciones importantes: Aglutinante .-
Proporciona una íntima ligazón entre agregados, capaz de resistir una “acción mecánica de desagregado” producida por el tráfico .
Impermeabilizante .-
Garantiza una superficie eficaz contra la penetración de agua, proveniente tanto de las precipitaciones, como del subsuelo por capilaridad
Requisitos de Desempeño
Tests de consistencia: El asfalto es un material viscoelástico de comportamiento reológico termo dependiente
16
14/05/2011
Requisitos de Desempeño Punto de Ablandamiento .(ASTM D 36)
El punto de ablandamiento es la temperatura a la cual, una muestra de material bituminoso, se ablanda lo suficiente, para permitir el paso de una bola de acero colocada inicialmente sobre la superficie y caiga hasta una distancia predeterminada.
Requisitos de Desempeño Penetración .- (ASTM D 5) El ensayo consiste en colocar una muestra de betún en un recipiente de dimensiones normalizadas y mantenido a una temperatura de 25 ° C. Sobre la superficie del betún se apoya una aguja de dimensiones normalizadas y es dejada penetrar dentro del mismo bajo la acción de una carga de 100 gr., durante 5 segundos. La penetración de la aguja se mide en 0,1 mm. Esto se realiza mediante un aparato denominado Penetrómetro
17
14/05/2011
Requisitos de Desempeño Penetración .- (ASTM D 5)
Requisitos de Desempeño Ductilidad .-(ASTM - D 113) La ductilidad, se expresa como la distancia en la cual una probeta de betún puede ser estirada, antes de que el hilo formado, rompa bajo las condiciones especificadas del ensayo. Por lo general, el ensayo se realiza a 25 °C y l a velocidad de estiramiento es de 5 cm/min. Una cierta ductilidad es necesaria en los betunes, debido a que las superficies bituminosas son sometidas a cambio de temperaturas, las cuales producen expansión y contracción.
18
14/05/2011
Requisitos de Desempeño
Ductilidad .(ASTM - D 113)
Requisitos de Desempeño Punto de Inflamación .- (ASTM D – 92) El punto de inflamación, indica la temperatura a la cual el betún puede ser calentado con seguridad, sin que se produzca una inflamación instantánea en presencia de llama. El ensayo consiste en colocar la muestra en el vaso Cleveland y calentarlo gradualmente, aplicando, a intervalos determinados, una pequeña llama sobre la superficie de la muestra. La temperatura más baja a la cual los vapores producidos por el calentamiento, se inflaman, es tomada como el punto de inflamación.
19
14/05/2011
Requisitos de Desempeño Punto de Inflamación.- (ASTM D – 92)
Este ensayo, además permite detectar contaminación en los asfaltos, como consecuencia de restos de combustible o solventes en los camiones que transportan betunes, o bien por pérdidas de aceite en los circuitos de calefacción en las plantas asfálticas
Requisitos de Desempeño Viscosidad .Se usan dos tipos de viscosidad: Viscosidad absoluta o dinámica : Puede definirse como la medida de la resistencia del fluido al escurrimiento, ó la fuerza por unidad de área requerida para mantener el fluido a velocidad constante.
Viscosidad
cinemática : Es la relación entre la viscosidad absoluta y la masa específica del fluido a la misma temperatura y presión. Se mide en unidades de centistokes cSt y segundos saybolt furol (SSF), utilizadas a diversas temperaturas.
20
14/05/2011
Requisitos de Desempeño Viscosidad .Visc. Saybolt Furol
Visc. cinemática
Requisitos de Desempeño Pureza.- (ASTM D – 2042). Los asfaltos se componen casi enteramente por betunes, ya que presentan una solubilidad superior a 99,5 % en sulfuro de carbono. La parte soluble representa a los constituyentes activos de los asfaltos, mientras que el insoluble, lo constituye materia mineral inerte, tales como sales, carbono libre, etc. Normalmente para determinar la pureza de los asfaltos se utiliza el ensayo de solubilidad en sulfuro de carbono y en tetracloruro de carbono.
21
14/05/2011
Requisitos de Desempeño Pureza.- (ASTM D – 2042).
Requisitos de Desempeño Pérdida por calentamiento. Este ensayo tiene por objeto establecer los cambios que sufren los betunes por el calentamiento a temperatura elevada, determinando la pérdida en peso de componentes volátiles y el aumento de consistencia como consecuencia de la alteración. La alteración de los asfaltos por calentamiento, se produce bajo circunstancias bien definidas: a) Durante el almacenaje caliente por un tiempo prolongado, en tanques de la planta de mezcla asfáltica. a Durante la fabricación de la mezcla asfáltica.
22
14/05/2011
Requisitos de Desempeño Pérdida por calentamiento Mediante ensayos de laboratorio es posible conocer en forma aproximada, la alteración que sufren los asfaltos durante el mezclado en planta asfáltica (usina) y posterior colocación de la mezcla. Para ello se dispone de dos métodos: a) Pérdida por calentamiento en película fina (Thin film oven test) (ASTM D –1754). a) Pérdida por calentamiento en película fina rotativa (Rolling Thin film test) (ASTM D –2872).
Requisitos de Desempeño Pérdida por calentamiento en película fina (Thin film oven test) (ASTM D –1754). El ensayo consiste en calentar una capa de asfalto de 3 mm de espesor, durante 5 hrs. A 163 °C, la cual es colocada sobre un plato que gira dentro de una estufa, a una velocidad de 5 – 6 rpm. Al cabo de ensayo se, calcula, la pérdida de compuestos volátiles y al residuo se le determina la penetración, ductilidad y viscosidad, verificando mediante estos ensayos, el grado de alteración alcanzado.
23
14/05/2011
Requisitos de Desempeño Pé rdida por calentamiento en pel í cula fina rotativa (Rolling Thin film test) (ASTM D – 2872). El método consiste en calentar a 163 ºC durante 75 minutos, una muestra de betún colocada en un recipiente de vidrio de forma cilí ndrica, dispuesta en un dispositivo, dentro de la estufa, que gira a 15 rpm. Durante la rotación, el recipiente recibe un fino chorro de aire caliente y seco en forma permanente. Los cambios producidos son medidos en base a ensayos de penetración, ductilidad y viscosidad. Este ensayo ha sido adoptado por AASHTO y ASTM, para graduar los asfaltos para pavimentación.
24
14/05/2011
Horno rotatorio de película delgada
Preguntas?
…Fin.
25
