Capitulo 3 - Universidad de Piura

43
CAPÍTULO 3
CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTOS PARA LA MEZCLA.
3.1
EL ASFALTO.
3.1.1 Generalidades.
El asfalto es un material negro, cementante, que varía ampliamente en consistencia, entre
sólido y semisólido (sólido blando), a temperaturas ambientales normales. Cuando se calienta
lo suficiente, el asfalto se ablanda y se torna líquido, lo cual le permite cubrir las partículas de
agregado durante la producción de mezcla en caliente.
Casi todo el asfalto usado en los Estados Unidos es producido por refinerías modernas de
petróleo y es llamado asfalto de petróleo (Foto 3.1).
El grado de control permitido por los equipos modernos de refinería permite la producción de
asfaltos con características distintas, que se prestan para usos específicos. Como resultado, se
producen asfaltos para pavimentación, techado y otros usos especiales (Figura 3.1).
Foto 3.1. Obtención del asfalto a partir de la refinación del petróleo.
Las propiedades del asfalto cambian cuando éste es calentado y/o envejecido. Tiende a
volverse duro y frágil, así como a perder parte de su capacidad de adherirse a las partículas de
agregado. Dicho envejecimiento puede simularse en laboratorio bajo la norma TFOT ASTM
D-1754 o AASHTO T-179 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004] o bajo la norma RTFOT
ASTM D-2872 o AASHTO T-240 [STANDARD SPECIFICATIONS 2004], como lo
veremos más adelante.[http://www.asfhaltinstitute.org]
44
3.1.2 Origen y naturaleza del asfalto.
El asfalto usado en pavimentación generalmente llamado cemento asfáltico, es un material
viscoso (espeso) y pegajoso. Se adhiere fácilmente a las partículas de agregado y, por lo tanto,
es un excelente cemento para unir partículas de agregado en un pavimento de mezcla en
caliente. El cemento asfáltico es un excelente material impermeabilizante y no es afectado por
los ácidos, los álcalis (bases) o las sales. Esto significa que un pavimento de concreto asfáltico
construido adecuadamente es impermeable y resistente a muchos tipos de daño químico.
Fig. 3.1. Refinado de Petróleo.
3.2
MATERIALES BITUMINOSOS.
3.2.1 Derivados de la destilación de crudos.
a) Destilación primaria o atmosférica.
Es la primera operación a que se somete el crudo de petróleo. Consiste en calentar el crudo en
hornos tubulares hasta aproximadamente 375 ºC, a la presión atmosférica. Los componentes
livianos (nafta, kerosene, gasoil), hierven a esta temperatura y se transforman en vapor. La
mezcla de vapores y líquido caliente pasa a una columna fraccionadora. El líquido o residuo
de destilación primaria se junta todo en el fondo de la columna y de ahí se bombea a otras
unidades de la refinería (Figura 3.2).
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PRODUCTOS
MUY LIGEROS
GASOLINA Y
NAFTAS
PETRÓLEO
KEROSENO
GASÓLEO
ACEITES
LUBRICANTES
FUEL-OIL
RESÍDUOS
ASFÁLTICOS
ASFALTOS
OXIDADOS
BETÚN
ASFÁLTICO
AGUA
BETUNES
FLUIDIFICADOS
EMULSIONANTE
EMULSIONES
BITUMINOSAS
ESQUEMA DE PROCESO DE OBTENCIÓN DE
PRODUCTOS BITUMINOSOS
Fig. 3.2. Esquema de obtención del asfalto a partir de la refinación del petróleo.
b) Destilación por vacío.
Difiere de la destilación primaria, en que mediante equipos especiales se baja la presión
(aumenta el vacío) en la columna fraccionadora, lográndose así que las fracciones pesadas
también llamados gasóleos 1, hiervan a menor temperatura que aquella a la que hervirían a la
presión atmosférica. El asfalto puede ser producido usando destilación por vacío a una
temperatura aproximada de 480 ºC. El producto del fondo de la columna, un residuo asfáltico
más o menos duro a temperatura ambiente, se denomina residuo de vacío. De acuerdo a la
cantidad de vacío que se practica en la columna de destilación, se obtendrán distintos tipos de
asfaltos.
1
Gasóleo o gasoil, mezcla de hidrocarburos obtenida por destilación fraccionada del petróleo crudo. Se emplea
como combustible para motores de compresión (diesel) y para calefacción doméstica. De su fraccionamiento
proviene la gasolina y el gas.
46
c) Extracción con solventes.
El residuo de vacío obtenido por destilación al vacío, contiene los asfáltenos dispersos en un
aceite muy pesado, que, a la baja presión (alto vacío) y alta temperatura de la columna de
vacío, no hierve (se destila). Una forma de separar el aceite de los asfáltenos es disolver
(extraer) este aceite en gas licuado de petróleo. El proceso se denomina "desasfaltización" y el
aceite muy pesado obtenido, aceite desasfaltizado. Se utiliza como solvente propano o
butano líquido, a presión alta y temperaturas relativamente moderadas (70 a 120 ºC). El gas
licuado extrae el aceite y queda un residuo semisólido llamado "bitumen".
Una vez que los asfaltos han sido procesados, estos pueden ser mezclados entre sí, en ciertas
proporciones, para producir grados intermedios de asfalto. Es así como un asfalto muy
viscoso y otro menos viscoso pueden ser combinados para producir un asfalto de viscosidad
intermedia (Figura 3.3).
Fig. 3.3. Esquema de obtención del asfalto a partir de la refinación del petróleo.
3.2.2 Cementos Asfálticos
El asfalto cambia cuando es calentado y/o envejecido. Tiende a volverse duro y frágil y
también a perder parte de su capacidad de adherirse a las partículas de agregado. Estos
cambios pueden ser minimizados si se comprenden las propiedades del asfalto, y si se toman
medidas, durante la construcción, para garantizar que el pavimento terminado sea construido
de tal manera que pueda retardarse el proceso de envejecimiento.
El uso del betumen como un material de ingeniería data de la antigüedad. Con el afloramiento
de rocas asfálticas y pozos de alquitrán.
47
Hoy en día su uso se concentra en:
•
•
•
•
•
Concretos asfálticos.
Techumbres.
Plásticos.
Sellos.
Inhibidores de corrosión.
Tres son las principales fuentes.
•
Asfaltos naturales: Los asfaltos naturales típicamente son consistentes en sus
propiedades, los insolubles difieren considerablemente según sea la fuente. Antes de
1900 el control de calidad inadecuado sobre los asfaltos y breas aumentó el uso de los
asfaltos de Lago.
El incremento de calles pavimentadas excedió la producción de asfalto de Lago y
condujo al empleo de los asfaltos del petróleo.
Los asfaltos naturales se presentan en depósitos geológicos de lago como, los que se
ubican en la Isla Trinidad (Foto 3.2), Lago Bermúdez en Venezuela, en forma de
Rocas Asfálticas que se localizan en Utha (Gilsonita), en forma de arenas asfálticas se
encuentran en Syncrude Fort Mc Murria Alberta, “La Bera Tar Pits” Los Ángeles
California.
Foto 3.2. Asfalto Isla Trinidad.
•
Alquitrán: Residuo tóxico producto de la destilación del carbón, resistente a los
productos del petróleo, generalmente es un subproducto de la producción de coke
(carbón). No se emplea en las mezclas asfálticas debido a la toxicidad, variabilidad y
mala performance.
•
Asfaltos Producto del Petróleo: Residuo de la destilación de crudos del petróleo,
asfaltos de rocas o arenas (extracción de los fuel para energía y combustibles), se
48
originan de la descomposición de material proveniente de animales enterrados antes
de la descomposición de microorganismos.
La mayoría de los asfaltos hoy en día provienen de la destilación del petróleo y son
solubles en productos de éste. Los cementos asfálticos derivados del petróleo pueden
ser puros, como los que provienen de Refinería y Soplados, existen también los
modificados o sea aquellos ablandados en solventes del petróleo (cortados). Los
Emulsionados como los cementos asfálticos mezclados con agua y agente
emulsionante, Espumados, Modificados con polímeros, Modificados con minerales.
3.3 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL ASFALTO.
3.3.1 Propiedades Físicas.
El asfalto puede ser clasificado por su composición química y las propiedades físicas. La
industria del pavimento confía en las propiedades físicas típicamente para la caracterización
de la actuación. Las propiedades físicas de un agregado son un resultado directo de su
composición química. Típicamente, las propiedades físicas más importantes son:
La durabilidad. La durabilidad es una medida de cómo cambia la carpeta asfáltica las
propiedades físicas cambian con la edad (a veces se lo denomina endurecimiento de edad). En
general, cuando una carpeta del asfalto envejece, su viscosidad aumenta y se pone rígido y
quebradizo.
Reología. La reología es el estudio de deformación y flujo de la mezcla. La deformación y
flujo del asfalto en la carpeta de Mezclas Asfálticas en Caliente (HMA) son importantes en la
actuación y funcionamiento del pavimento. Pavimentos de HMA que deforman y fluyen
demasiado pueden ser susceptibles a formar surcos en y sangrar, mientras aquéllos que están
demasiado rígidos pueden ser susceptibles fatigarse y producir fisuramiento.
La seguridad. El cemento asfáltico como la mayoría de los otros materiales, volátiles (emite
vapor) cuando es calentado. A temperaturas sumamente altas el cemento asfáltico puede
emitir bastante vapor y aumentar la concentración volátil inmediatamente sobre el cemento
asfáltico y llegar a un punto dónde éste se encenderá (punto de llama) si esta expuesto a una
chispa o de llama. Por razones de seguridad, el punto de llama del cemento asfáltico se prueba
y se controla.
.
Pureza. El cemento asfáltico, a ser usado en el HMA para pavimentación, debe ser casi puro
betún. Las impurezas no son las recomendadas pudiendo ser perjudicial en el proceso de
asfaltar.
3.3.2 Propiedades Químicas.
La composición química de los asfaltos tiene gran importancia en la performance de las
mezclas asfálticas.
49
Composición química del asfalto:





80 – 85 % carbono
10 % hidrógeno
2 – 8 % oxígeno
1 – 7 % sulfuros
Pequeñas cantidades de nitrógeno y otros metal
Como los cementos asfálticos derivan de materias vivas en descomposición, su composición
química es muy compleja y aún no comprendida totalmente. Es difícil aún cuantificar una
sola molécula. Por ejemplo el número de alcanos no cíclicos en el cemento asfáltico de 20 a
150 carbonos en la cadena, peso molecular medio de 50 a 2000, el número de isómeros es
10^15.
Las propiedades varían según el origen.
•
•
•
•
•
•
•
Grado API (Instituto Americano del Petróleo) se emplean para estimar el peso
específico a 60ºF.
API = (141,5/SG) – 131,5
API agua =10
API = asfalto = 5 a 10
API gasolina = 50
Crudos de bajo API < 25 (alto rendimiento de asfalto)
Crudos de alto API > 25 (alto rendimiento de asfalto) [WHAR CARLOS DANIEL2002]
El Cemento Asfáltico es un material bituminoso café-negro que se usa para ligar el agregado
formando una masa sólida y cohesiva de concreto.
Propiedades deseables:
•
•
•
•
•
•
Alta elasticidad a elevadas temperaturas.
Suficiente ductilidad al cambio de temperatura.
Baja susceptibilidad al cambio de temperatura.
Bajo contenido de parafina.
Buena adhesión y cohesión.
Resistencia al envejecimiento.
Los hidrocarburos constituyentes del asfalto forman una dispersión coloidal en la que un
grupo de moléculas de los hidrocarburos más pesados (los asfáltenos) están rodeados por
moléculas de hidrocarburos más ligeros (resinas o fracción floculante), sin que exista una
separación entre ellas, sino una transición; el espacio restante lo ocupan los aceites.
El conjunto resinas y aceites, se denominan maltenos (Figura 3.4).
Los asfáltenos son responsables de las características estructurales y dureza de los asfaltos, las
resinas proporcionan sus propiedades aglutinantes y los aceites a consistencia adecuada para
su trabajabilidad.
50
Asfáltenos
Aceites
Resinas
Fig. 3.4. Esquema idealizado de la Estructura molecular de un asfalto.
Según las características estructurales de un determinado betún, el tanto por ciento de los tres
componentes varía, pudiendo representar su composición en un diagrama triangular (Figura
3.5). Los betunes cuyo punto se sitúe en la parte derecha del diagrama son de tendencia
newtoniana, mientras que los que aparezcan en el lado izquierdo son de carácter visco-elástico
y, fundamentalmente, son empleados en la impermeabilización. Por tanto, con representar el
punto correspondiente a un betún puro o modificado, se podrá observar si es o no útil para el
fin que se propone.
0
100
10
90
50
es
eit 60
ten
os
40
60
ac
fal
30
as
20
80
70
50
40
70
30
80
20
90
10
0
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
resinas
Fig. 3.5. Diagrama triangular para el análisis de componentes de un betún
Para representar la composición de un betún puede hacerse uso del coeficiente denominado
Inestabilidad Coloidal, IC, que se define mediante la siguiente relación: [MIRO RECANSES
JOSÉ RODRIGO, 1994]
IC =
( Asfaltenos + Re sin as )
Aceites
(3.1)
51
Existen algunos ensayos, utilizados fundamentalmente para controlar el producto, que
permiten obtener de forma rápida cierta información sobre su composición química, como lo
veremos a continuación.
3.4 PROPIEDADES A EVALUAR EN EL ASFALTO.
3.4.1 Susceptibilidad térmica.
La variación de de la consistencia de los asfaltos frente a los cambios de temperatura se
denomina susceptibilidad térmica.
Viscosidad
La viscosidad de un betún está muy relacionada con la temperatura, en razón a que al elevarse
ésta la viscosidad disminuye. El aumento de la temperatura de un betún produce
transformaciones reológicas importantes en el mismo, que son de gran utilidad a la hora de
ponerlo en obra.
Ligante Ideal
Ligante Normal
Temperatura de servicio
0
25
60
135
Temperatura (ºC)
SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA DE LOS
LIGANTES
Fig. 3.6. Variación de la viscosidad con la temperatura de un asfalto
La susceptibilidad de un producto bituminoso indica la sensibilidad que presenta el mismo a
variar su viscosidad por elevación de la temperatura. Esta susceptibilidad debería ser lo más
baja posible para la gama de temperaturas de servicio, sin que llegue a ser un sólido
quebradizo a temperaturas frías o un líquido relativamente viscoso a temperaturas elevadas
(Figura 3.6). Los betunes asfálticos son puestos en obra con viscosidades bajas, obtenidas
generalmente por calentamiento del material, de forma que permiten la envuelta y “mojado”
con los áridos.
Una vez fríos adquieren de nuevo su consistencia primitiva, cohesionado el esqueleto mineral,
al que dota en estas condiciones, de la resistencia adecuada para soportar la acción del tráfico.
52
No obstante, el producto bituminoso una vez puesto en obra, debe conservar su consistencia
ante los cambios de temperatura ambiente. De no ser así, si aquella baja más de lo debido, al
elevarse la temperatura el firme se deformará bajo las cargas del tráfico. Por otra parte, si el
betún se endurece, se torna frágil y el firme puede agrietarse.
3.4.2 Adhesividad con el árido.
“La adhesividad es la capacidad del asfalto para adherirse al agregado en la mezcla de
pavimentación”.
“Se denomina adhesividad a la adhesión del ligante al árido en presencia de agua. La
adhesión es la fuerza por unidad de superficie que une las moléculas del ligante a las
moléculas del árido”. [WHAR CARLOS DANIEL, 2002]
En la práctica, este concepto científico se ha sustituido por el de adhesión mecánica: fuerza
por unidad de superficie para romper la unión árido-ligante. El contacto del betún y el
agregado ha de ser lo más perfecto posible, sin interposición de materias extrañas, lo que
implica que el árido esté limpio y seco. Sin embargo, la adhesividad – adhesión del ligante al
árido en presencia de agua – no es una propiedad exclusiva del ligante, sino que depende del
conjunto árido ligante: un mismo ligante presentará buena o mala adhesividad según el tipo o
condiciones del árido utilizado, por ello, para su estudio debe tomarse en cuenta el conjunto
árido-ligante-agua.
En el término adhesividad se agrupan dos propiedades distintas:
-
la facilidad para que el ligante moje al árido: adhesividad activa.
La resistencia que ofrece el ligante, una vez adherido al árido, a ser desplazado por el
agua: adhesividad pasiva.
Además de los factores físicos y fenómenos de superficie mencionados, aparecen también
factores de tipo químico que influyen y modifican las condiciones de equilibrio.
Los áridos ácidos, con un alto contenido de sílice en su composición, tienen una gran afinidad
por el agua, lo que dificulta su adhesividad a los ligantes bituminosos. Los áridos básicos
(caliza, conglomerado de materiales calcáreos) con altos contenidos de óxidos alcalinos y
alcalinos térreos en su composición, son menos hidrófilos que los silíceos (conglomerado de
cuarzo, arenisca, arcosa), presentando cierta atracción por los ácidos libres de los betunes y
mejor adhesividad con los mismos.
De forma general, sobre el problema de la adhesividad y de la resistencia al desplazamiento,
existen una serie de conclusiones de gran importancia práctica:
a) Como regla general, el mojado de un árido seco por un ligante bituminoso se realiza
sin dificultad.
b) Como regla general, el mojado de un árido húmedo por un ligante bituminoso no debe
realizarse.
c) La película del ligante bituminoso que recubre el árido es, en general, desplazada por
el agua. Pero, la velocidad de desenvuelta puede ser muy débil, e incluso nula, por
53
oponerse la viscosidad y el asimiento mecánico (la introducción del ligante en las
oquedades y surcos superficiales del agregado) del ligante, la compacidad de la mezcla
que impide la penetración del agua, y las fuerzas de atracción de tipo químico entre el
árido y el ligante.
Para estimar la sensibilidad de una mezcla bituminosa a la acción del agua, existen algunos
procedimientos basados en tres principios fundamentales:
-
Medida indirecta del mojado: estimación de la desenvuelta.
Medida de la adhesión mecánica.
Evaluación de la adhesividad mediante ensayos mecánicos.
3.4.2.1
Ensayos basados en la estimación de la desenvuelta.
Este tipo de ensayos radica en apreciar la desenvuelta producida por el agua en áridos
previamente envueltos en ligante. Su empleo es generalizado en la caracterización de áridos
y ligantes para tratamientos superficiales y mezclas de granulometría abierta.
El ensayo de adhesividad a los áridos de los ligantes bituminosos en presencia de agua NLT166/76 y que se corresponde con la norma ASTM D 1664 [STANDARD SPECIFICATIONS2004], consiste en envolver los áridos limpios (100 gramos), en seco o bien en húmedo, con
una determinada dotación de ligante (5,5 gramos) y sumergirlos de 16 a 18 horas en agua a 25
ºC (Foto 3.3). La estimación de la desenvuelta es visual. Se denomina también ensayo de
inmersión estática en frasco, y su terminología en inglés es “stripping”.
Foto 3.3. Ensayo de adhesividad.
El Método de ensayo reglado para el efecto del agua en el recubrimiento bituminoso del
agregado, según norma ASTM D-3625 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004], llamado
comúnmente test de hervido de California o ensayo de peladura en agua hirviendo, consiste en
un ensayo rápido de campo para determinar visualmente la pérdida de adhesión en la unión
del ligante con el agregado en mezcla sin compactar debido a la acción del agua hirviendo
(100 ºC, durante 1 minuto).
54
3.4.3 Comportamiento mecánico.
Los ensayos que caracterizan mecánicamente un asfalto son:
3.4.3.1 Ductilidad.
La ductilidad es la capacidad que posee un betún de deformarse por alargamiento sin que su
masa se disgregue (Foto 3.4). La ductilidad de un betún, según NLT-126/84, AASHTO T-51
o ASTM D-113 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004], se mide por el alargamiento en
centímetros hasta rotura que puede soportar una probeta sometida a un ensayo de tracción con
velocidad de deformación de 5 cm./min. y temperatura de 25 ºC. (Figura 3.7 a, b).
Foto 3.4. Ensayo de ductilidad de un asfalto. Laboratorio PUCE
Para un mismo material bituminoso la ductilidad es tanto mayor cuanto mayor es la
temperatura a la que está sometido, y para materiales diferentes, la ductilidad crece con la
penetración y disminuye con la viscosidad del producto.
a)
b)
Fig. 3.7. a) Posición inicial, b) alargamiento de la muestra.
55
Existen otros ensayos que aunque no se los describe se los cita; y, son los siguientes:



Tensión – deformación.
Tenacidad.
Elasticidad (recuperación elástica torsional.
reómetro de placa deslizante).
Recuperación elástica lineal,
3.4.4 Comportamiento reológico.
Valora el comportamiento a lo largo de la vida en servicio.
Con el propósito de caracterizar y evaluar el comportamiento reológico de los asfaltos se
describen los siguientes ensayos que nos permiten hacerlo.
3.4.4.1 Consistencia.
Para evaluar la consistencia de un asfalto, se usa el denominado ensayo de penetración, NLT124/84 o AASHTO T-49/03 [STANDARD SPECIFICATIONS-2004], dando lugar a que
estos betunes se clasifiquen por su penetración e incluso que se denominen “betunes de
penetración”.
Foto 3.5. Ensayo de penetración (100 g, 25 ºC, 5 seg.) Laboratorio UTPL.
El resultado de este ensayo, tal como se aplica a los betunes asfálticos, se expresa por la
profundidad, en décimas de milímetro, a que una aguja, de dimensiones dadas, penetra
verticalmente en la muestra de material,
fijadas las condiciones de peso, tiempo y
temperatura (100 g, 5 segundos y 25 ºC, respectivamente) (Foto 3.5).
56
Fig. 3.8. Ensayo de penetración (100 g, 25 ºC, 5 seg.)
Fundamentalmente pretende ser una medida de la viscosidad, donde la tensión cortante viene
dada por la carga dividida por la superficie de la punta de la aguja en contacto con el betún, en
un momento dado (Figura 3.8).
Para los materiales newtonianos que poseen una misma viscosidad para cualquier valor de la
tensión cortante aplicada, se ha establecido una relación entre la penetración y la viscosidad.
η=
5,3 x10 9
pen1,93
(3.2.)
Donde:
η = viscosidad en poises
pen = penetración (100 g, 5 s), en décimas de milímetro.
Si el material no es newtoniano, la viscosidad aparente o consistencia del material no
solamente es función de la tensión cortante.
Aunque este ensayo es importante, la
penetración por si sola no permite determinar las características reológicas de un betún, y
aunque en algunos casos existen ciertas correlaciones entre viscosidad absoluta y penetración
como la siguiente expresión:
η=
1,58 x1010
pen 2,16
(3.3.)
Las distintas procedencias de los betunes hacen variar estas correlaciones.
3.4.4.2 Punto de reblandecimiento.
Los ligantes bituminosos no son sólidos cristalinos con un punto de fusión bien definido, es
decir, una temperatura determinada para pasar del estado sólido al líquido, sino que al
elevarse la temperatura, van perdiendo consistencia, haciéndose fluidos poco a poco. El
punto de reblandecimiento trata de establecer la temperatura a la que el betún obtiene una
57
fluidez determinada. En sí, la temperatura a la que se mide el punto de reblandecimiento es
sólo un dato con valor relativo o comparativo, debido a que los betunes no son, en ningún
momento, ni sólidos ni líquidos perfectos, sino que son cuerpos viscosos, muy sensibles a la
duración de las solicitaciones y a la temperatura.
La determinación del punto de reblandecimiento puede hacerse por diferentes métodos: los
principales son el de anillo y bola y el de Kraemer-Sarnov.
Foto 3.6. Ensayo de ablandamiento, anillo y bola.
En el método de anillo y bola (Foto 3.6) según norma NLT-125/84, ASTM D-2398 o
AASHTO T-53 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004], el anillo se llena con material
fluido, dejándolo enfriar hasta temperatura ambiente y enrasándolo después con una espátula
caliente. Se coloca encima del disco de material una bola de acero y se sumerge el conjunto
en un recipiente con agua que debe calentarse a una velocidad de 5 ºC por minuto. El punto
de reblandecimiento es la temperatura que marca el termómetro colocado en el agua, en las
proximidades de la muestra, en el instante en que la bola, arrastrando el producto bituminoso
llega a una placa de referencia situada a 25 mm por debajo de la probeta.
3.4.4.3 Índice de Penetración.
La determinación del índice de penetración nos da una idea de la susceptibilidad térmica del
ligante: a menor valor del IP, mayor será la susceptibilidad de éste a los cambios de
temperatura.
Para el diseño en laboratorio de mezclas asfálticas en caliente, según la norma ASTM D-1559
[STANDARD SPECIFICATIONS, 2004], Resistencia a la deformación plástica de mezclas
bituminosas compactadas mediante el ensayo Marshall, las temperaturas de mezclado y
compactación son aquellas que corresponden a una viscosidad del asfalto de 85±10 segundos
Saybolt-Furol (170 ±20 centistokes) y 140±15 segundos Saybolt-Furol (280 ±20 centistokes)
respectivamente.
58
Mediante el nomograma de Heukelom (Figura 3.9) podemos determinar la temperatura para
alcanzar las viscosidades respectivas, graficando la penetración versus la temperatura.
a) Índice de penetración según Pfeiffer y Van Doormal.
La determinación de la susceptibilidad térmica de un betún es de vital importancia; para esto,
el índice de penetración es un parámetro fundamental. A partir de la penetración a 25 ºC y del
punto de reblandecimiento anillo y bola, Pfeiffer y Van Doormal (Figura 3.10) han definido el
llamado índice de penetración (IP), que proporciona un criterio de medida de la
susceptibilidad térmica y de la desviación del comportamiento newtoniano del ligante. Si se
representa el logaritmo de la penetración en función de la temperatura T, a la que se realiza el
ensayo, se obtiene una función lineal, lo cual sugirió que la pendiente de la recta sea usada
como índice de la susceptibilidad. Su determinación requería dos ensayos de penetración
hechos a distintas temperaturas. Al extrapolar dicha recta hasta la temperatura del punto de
reblandecimiento, la penetración correspondiente, para cualquier tipo de betún, resultaba ser
del orden de 800, de aquí que el IP puede calcularse con una sola penetración y el punto de
reblandecimiento. Pero el IP no es directamente proporcional a esa pendiente, sino que la
relación viene dada por la fórmula:
Log 800 − LogPen 20 − IP
1
=
*( )
PR − T
10 + IP 50
Donde:
IP = índice de penetración.
Pen = penetración (100 g, 5 seg.), en décimas de milímetro.
PR = punto de reblandecimiento (anillo y bola), en ºC.
(3.4)
PENETRACIÓN
(0,1 mm)
Punto de Fraas
PUNTO DE REFERENCIA
1
2
60-70
IP
4
6
8
10
2
46
4
6
8
86
112 10²
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
Vm = viscosidad
de mezcla
2
4
6
8
10³
Punto de Ablandamiento
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
8
6
Vc = viscosidad de
compactación
4
40
2
10³
8
6
4
2
10²
8
6
4
ASFALTO 60-70
Tmezcla= 157 ºC
Tcompactación= 145 ºC
2
10
8
6
4
3
Vm
2
Vc
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20 25 30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Temperatura (ºC)
150
160
157 °C
170
180
190
200
210
220
230
240
1
250
0
-7
60
145 °C
Viscosidad
(poises)
Apuntes del Ingeniero Gerardo Botasso., Universidad de Piura
Fig. 3.9
Nomograma de Heukelom para determinar las temperaturas óptimas de mezclado y compactación en el diseño
de mezcla asfáltica en caliente.
60
T = temperatura a la que se realiza el ensayo de penetración, en ºC.
El IP, según las Especificaciones Generales MOP-Ecuador 2002 se calcula mediante la
siguiente expresión, la misma que se deduce de la ecuación 3.4.
IP =
20 − 10 × A
A +1
(3.5)
Siendo:
 log 800 − log Pen 
A = 50 × 

Tab − 25

(3.6)
Donde:
Tab = temperatura del punto de reblandecimiento anillo y bola, en ºC
Pen = penetración (100 gramos, 25 ºC y 5 seg.).
10
20
-3
-2
-1
-0
PENETRACIÓN (0,1 mm)
30
+1
40
+2
50
60
70
80
+3
100
120
150
200
300
500
800
25
30
40
50
60
70
PUNTO DE REBLANDECIMIENTO A&B (ºc)
Í
Fig. 3.10. Diagrama para calcular el IP mediante el ensayo de
penetración y punto de reblandecimiento anillo y bola (A&B).
Los betunes generalmente utilizados en carreteras, tienen índice de penetración
comprendidos entre -1 y +1, siendo inferiores a -1 para los materiales esencialmente
newtonianos, frágiles a bajas temperatura, y superiores a +1 en los betunes oxidados y en
los modificados con polímeros, menos sensibles a los cambios de temperatura. Las
61
especificaciones generales del MOP-Ecuador 2002 fijan este parámetro en los valores de 1,5 a +1,5.
b) Índice de penetración según Heukelom.
Por otra parte Heukelom desarrolla un método para determinar el Índice de penetración y
además concluye que para determinar el Módulo de Rigidez (stiffness) del asfalto, la
temperatura T800 (la temperatura a la que la penetración del asfalto es 800) es más
satisfactoria como referencia que el Punto de Reblandecimiento. Este método se basa en
realizar penetraciones a diferentes temperaturas luego graficarlas en una escala semilogarítmica Temperatura vs. Penetración, mostrada en la (Figura 3.11)
Se traza la recta que proporcionan estos puntos y se prolongan hasta la recta superior
donde la penetración es 800, el punto de intersección es la temperatura T800, luego se
traza una recta por el punto A paralela a la anterior y se intercepta la escala inclinada, el
punto de intersección nos da el Índice de Penetración.
En el presente estudio, se ha realizado este último procedimiento para determinar el Índice
de penetración y la temperatura T800 (que corresponde al punto de reblandecimiento).
Penetración (0,1 mm)
T800 Pen R&B
10³
8
6
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
TEMPERATURA (ºC)
4
-3
2
10²
8
6
-2
-1
0
P 60-70
T800 = 58
1
2
3
4
5
6
4
7
IP
2
10
8
6
4
A
2
Dibujar la penetración para una o más temperaturas.
Dibujar una línea recta a través de los puntos y leer la
temperatura 800 (T800 penetración).
Dibujar una línea paralela a través del punto A y leer el
IP en la escala
1
0
10
20
30
40 50 60 70 80
TEMPERATURA (ºC)
Fig. 3.11 Nomograma de Heukelom para calcular el IP y T800
62
3.4.4.4 Viscosidad.
1/2 cSt ~ 1seg. saybolt-Furol
La viscosidad de los ligantes bituminosos es función de su temperatura, por lo que su
determinación a diferentes temperaturas da una buena idea de cual es su susceptibilidad
térmica. (Figura 3.12).
B 150/200
BETUNES DE
PENETRACIÓN
Viscosidad (cSt)
B 60/70
FM 200
BQ-62
FR 100
BETUNES
FLUIDIFICADOS
ALQUITRANES
0
25
50
AQ-38
100
150
200
Temperatura (ºC)
Fig. 3.12. Diagramas típicos de viscosidad - temperatura de diferentes ligantes
hidrocarbonados. [COMISIÓN PERMANENTE DEL ASFALTO, 1982]
La viscosidad es la resistencia que opone un fluido a deformarse cuando está sometido a la
acción de una fuerza que actúa durante un determinado tiempo y es consecuencia del
rozamiento interno de las moléculas del mismo.
Consideremos dos placas planas paralelas y de grandes dimensiones, separadas una
distancia “y”, y con el espacio entre ellas lleno de un fluido. Supongamos que la placa
superior se mueve a una velocidad constante U, al actuar sobre ella una fuerza F también
constante. El fluido en contacto con la placa móvil se adhiere a ella moviéndose a la
misma velocidad U, mientras que el fluido en contacto con la placa fija permanece en
reposo. La experiencia ha demostrado que la fuerza F varía directamente con el área de la
placa y la velocidad U e inversamente con la separación “y”.
63
U
PLACA MÓVIL
F
v
y
dy
dv
PLACA FIJA
Fig. 3.13. Modelo experimental para la deducción de la fórmula de la viscosidad absoluta.
De la Figura. 3.13., por relación de triángulos semejantes:
(3.7)
U dv
=
y dy
F∞(
A ×U
dv
= A× )
y
dy
(3.8)
O,
(
F
dv
= τ )∞
A
dy
(3.9)
Si introducimos una constante de
Donde, τ es la tensión o esfuerzo cortante.
proporcionalidad μ, llamada viscosidad absoluta o ámica,
din
obt endremos la siguiente
igualdad:
τ = µ×
dv
dy
(3.10)
Despejando μ:
µ=
τ
dv / dy
(3.11)
Siendo:
dv / dy = velocidad de variación de la deformación unitaria cortante (gradiente de
velocidad).
on
ia
no
wt
Ne
o
Fl
uj
Tension Cortante (T)
64
Gradiente de Velocidad (dv/dy)
Fig.3.14. Relación entre la tensión cortante (τ) y el gradiente de velocidad (dv/dy)
Los fluidos que se comportan de acuerdo con la Ec. 3.11., se les denomina newtonianos
(Figura 3.14), y su representación en un diagrama tensión cortante versus gradiente de
velocidad es una línea recta que pasa por el origen. La velocidad de deformación es
constante a lo largo del tiempo y si la carga deja de aplicarse, el material queda con la
deformación que tuviese en ese instante, no produciéndose ninguna recuperación elástica.
Los betunes obtenidos por destilación de crudos de base asfáltica, muchos betunes
aromáticos y los que tienen un bajo contenido en asfáltenos tienen este comportamiento.
En otros ligantes el comportamiento es no newtoniano y en ellos la velocidad de
deformación disminuye de una forma continua hasta alcanzar un determinado valor a partir
del cual permanece constante siendo proporcional a la tensión de cortante aplicada; si en
un momento dado deja de actuar la tensión cortante, el material recupera parte de la
deformación con una velocidad decreciente hasta que se estabiliza su forma. A este grupo
de ligantes pertenecen aquellos que tienen una mayor concentración de asfáltenos.
a) Viscosidad cinemática de asfaltos.
La viscosidad cinemática, es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad, ambas
medidas a la misma temperatura, su unidad es el stoke (cm². /seg.). En la mayoría de los
casos suele expresarse la viscosidad cinemática en centistokes (cSt).
Según la norma ASTM D-2170 o AASHTO T-201 [STANDARD SPECIFICATIONS2004], este método se emplea para la determinación de la viscosidad cinemática de asfaltos
diluidos a 60 ºC y cementos asfálticos a 135 ºC, en un rango de viscosidad entre 30 y 6000
cSt.
Consiste en medir el tiempo de flujo del material bituminoso a través del tubo capilar de un
viscosímetro de vidrio calibrado, a una temperatura controlada. La viscosidad cinemática
se calcula multiplicando el tiempo de flujo en segundos por la constante de calibración del
viscosímetro (Ec. 3.12).
65
Vis cos idad = Cons tan te × Tiempo _ de _ Flujo
(3.12)
La viscosidad cinemática puede usarse para calcular la viscosidad dinámica o absoluta, si
se conoce la densidad del material a la misma temperatura del ensayo (Foto 3.7).
Foto 3.7. Viscosímetro Capilar Zeitfuchs para ensayo de viscosidad cinemática.
Para asfaltos usados en pavimentación, “la densidad a 135 ºC puede determinarse
multiplicando el peso específico a 25 ºC por un factor igual a 0,934 g/cm³. Este valor está
basado en un coeficiente de expansión de los asfaltos de 0,00061 por ºC”.
b) Viscosidad absoluta de asfaltos.
La viscosidad absoluta expresa la resistencia que ofrece un fluido al movimiento relativo
de sus partículas, medida en unidades fundamentales de masa, longitud y tiempo, esta
gr
dina × seg
unidad se llama poise (
)o (
).
2
cm × seg
cm
Según la norma ASTM D-2171 o AASHTO T-202 [STANDARD SPECIFICATIONS 2004], este método se emplea para la determinación de la viscosidad absoluta de asfaltos
por medio de viscosímetros capilares de vacío, a 60 ºC.
Este método es aplicable con viscosidades entre 20 y 200 000 poises, y consiste en medir
el tiempo de flujo del asfalto a través de un tubo capilar, bajo condiciones controladas de
temperatura y presión.
Debido a que los asfaltos a la temperatura de 60 ºC tienen viscosidades elevadas para fluir
por gravedad a través de tubos capilares, se hace necesaria la aplicación de vacío, para que
en estas condiciones el mismo pueda fluir a través de los capilares. El vacío aplicado en
estos casos es equivalente a 30 cm. de columna de mercurio (Foto 3.8).
66
Foto 3.8. Viscosímetro Capilar de Vacío para viscosidad absoluta.
El cálculo de la viscosidad es similar al descrito, para la medida de la viscosidad
cinemática.
c) Viscosidad Saybolt-Furol.
Según la norma ASTM NLT-133 o AASHTO T-72 [STANDARD SPECIFICATIONS,
2004], se basa en el número de segundos que necesitan 60 centímetros cúbicos de asfalto
para fluir a través de un orificio calibrado Furol de 3,15 cm. de diámetro, bajo condiciones
especificadas de temperatura.
Para realizar el ensayo, se llena el recipiente cilíndrico hasta una altura determinada con el
producto a ensayar manteniendo la temperatura de ensayo por medio de un baño
termostatizado que puede contener agua cuando la temperatura de ensayo es inferior a 100
ºC o aceite cuando es superior a este valor. Este viscosímetro se utiliza únicamente con
ligantes con una viscosidad mayor de 100 segundos (Foto 3.9).
Foto 3.9. Ensayo de viscosidad relativa mediante el viscosímetro Saybolt-Furol.
67
Finalmente debemos anotar que existe una relación aproximada, a igual temperatura entre
la viscosidad Saybolt-Furol y la viscosidad cinemática:
Vsf =
Vc
2
(3.13)
Donde:
Vsf = Viscosidad Saybolt-Furol (seg.)
Vc = Viscosidad Cinemática (Centistokes)
3.4.5 Resistencia al envejecimiento.
Durante el proceso de envejecimiento de un producto bituminoso, éste va perdiendo
plasticidad y ganando viscosidad y dureza, a la vez que la cohesión va haciéndose mayor
hasta alcanzar un máximo, correspondiente a una dureza crítica, a partir del cual la
cohesión disminuye y el material va adquiriendo fragilidad llegando a ser incapaz de
soportar esfuerzos bruscos o deformaciones rápidas.
En este estado es incapaz de
absorber tracciones y es fácil la rotura a partir de fisuras superficiales que irán progresando
hacia el interior con el paso del tiempo.
El envejecimiento es un fenómeno complejo, en el cual existe una degradación y
transformación de los componentes iniciales de cada ligante, perdiendo éstos sus
propiedades, en el que influyen mucho las acciones, individuales o superpuestas, de los
rayos ultravioletas del sol, el agua de lluvia, el calor, el aire, etc.
De todos los factores que pueden provocar el envejecimiento de un betún, los que
generalmente se tienen más directamente en cuenta para explicar el proceso de
envejecimiento son:
-
evaporación de los productos más volátiles, asociada generalmente al
envejecimiento a corto plazo durante el proceso de fabricación, puesta en obra y
quizá el primer o segundo año de servicio.
-
Oxidación o reacciones químicas entre los componentes del betún y el oxígeno,
asociados al envejecimiento a largo plazo durante el período de servicio.
Los métodos habituales de ensayo para valorar el envejecimiento de un ligante asfáltico en
laboratorio se dan a continuación.
3.4.5.1 Ensayo TFOT.
El ensayo TFOT (Thin Film Oven Testing) o ensayo de película delgada en horno, según
norma ASTM D-1754 o AASHTO T179 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004] , es un
procedimiento destinado a someter a una muestra de asfalto a condiciones de
endurecimiento aproximadas a aquellas que ocurren durante las operaciones normales de
68
una planta de mezclado en caliente. Para medir la resistencia al endurecimiento del
material bajo estas condiciones, se hacen al asfalto ensayos de penetración o de viscosidad
antes y después del ensayo de envejecimiento.
Foto 3.10. Equipo para el ensayo TFOT
El ensayo consiste en:
-
-
Colocar una muestra de 50 ml. de cemento asfáltico en un recipiente cilíndrico, de
fondo plano de 140 mm. de diámetro interno y 10 mm. de profundidad.
El espesor de la capa de asfalto debe ser de 3 mm. Aproximadamente (Foto 3.10).
El recipiente que contiene la muestra se coloca en un plato que gira alrededor de 5
o 6 revoluciones por minuto durante 5 horas, dentro de un horno mantenido a
163ºC.
Luego se vuelca el cemento asfáltico dentro de un recipiente normalizado para hacerle los ensayos
de penetración y viscosidad.
3.4.5.2 Ensayo RTFOT.
El ensayo RTFOT (Rolling Thin Film Oven Testing) o ensayo de película delgada rodante en
horno según ASTM D-2872 o AASHTO T-240 [STANDARD SPECIFICATIONS, 2004], es
una variante del ensayo TFOT, el propósito es el mismo, pero cambian los equipos y los
procedimientos del ensayo.
El ensayo consiste en:
-
Verter 35 g de cemento asfáltico en un recipiente normalizado.
69
CHORRO DE VAPOR A
PRESIÓN
FRASCO NORMALIZADO
EJE DE ROTACIÓN
ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DEL RTOFT
FRASCO
NORMALIZADO
Fig. 3.15. Ensayo RTFOT
-
Colocar el recipiente en un soporte que gira a 15 revoluciones por minuto en un
horno mantenido una temperatura de 163 º C, durante un tiempo de 75 minutos.
Al rotar el frasco, el cemento asfáltico es expuesto constantemente en películas
nuevas (Foto 3.12).
En cada rotación el orificio del frasco de la muestra pasa por un chorro de aire
caliente que barre los vapores acumulados.
La rotación y el efecto del chorro de aire caliente forma películas de 1,25 mm.
En pavimentos, los betunes asfálticos están sometidos a diferentes procesos de
envejecimiento:
a) Envejecimiento producido en la cisterna.
b) Durante la fabricación de la mezcla.
c) Durante el período de servicio.
REFERENCIAS.
[1]
STANDARD SPECIFICATIONS FOR TRANSPORTATION MATERIAL AND
METHODS OF SAMPLING AND TESTING. (2004), 24 th Edition.
[2]
(http://www.asphaltinstitute.org/) The WSDOT Pavement Guide Interactive
[3]
WAHR CARLOS DANIEL, (2002). Paper PDF “Materiales Bituminosos” Pág. 1020
[4]
MIRO RECANSES JOSÉ RODRIGO, (1994). “ Metodología para la caracterización
de ligantes asfálticos mediante el empleo del Ensayo Cántabro” Barcelona, Pág.
49.,50.,51 92.,
[5]
Principios de Construcción de Pavimentos de Mezclas Asfálticas en Caliente. (1992),
MS-22 Instituto del Asfalto. Lexington USA Pág. 18.
70
[6]
SÁNCHEZ SABOGAL FERNANDO. (1983), “Ensayos de laboratorio para
pavimentos”. El Cauca (Colombia). Pág., 75.
[7]
Especificaciones Generales para la Construcción de Caminos y Puentes, (2002).
MOP-001-F-2002 tomo I Sección IV Pág., 68., Sección VII Pág., 68
[8]
Comisión permanente del asfalto Octavo Simposio, (1982) Control de calidad en los
pavimentos asfálticos, Pág. 91., Pág. 103.
[9]
KRAMER CARLOS y DEL VAL MIGUEL ÁNGEL, (1996). Firmes y Pavimentos.
Madrid. Pág. 48