FORTALEZAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ASFALTOS PG EN REFINERÍAS MEXICANAS Ing. Leonardo Manríquez Olmos Ing. Edmundo Reyes Tenorio Lara M en C Enrique Aguilar Rodríguez Instituto Mexicano del Petróleo Dr. Miguel A. Leiva y Nuncio M en C Roberto del Río Soto PEMEX Refinación Resumen La tendencia mundial en la construcción de carpetas flexibles mediante el método Hot-Mix (HMA) es el empleo de cementos asfálticos clasificados mediante pruebas de funcionalidad del Strategic Highway Research Program (SHRP); en este sentido Pemex Refinación e Instituto Mexicano del Petróleo han realizado los estudios analíticos periódicos del asfalto AC-20 ofrecidos por las Refinerías de Cd. Madero, Salamanca y Cadereyta, concluyéndose que los asfaltos tienen en promedio la clasificación PG 64-22 y en ocasiones hasta un PG 70-28, que los hace atractivos para su empleo en la mayoría del territorio mexicano (90 %) y en una gran parte de E.U., sobre todo en el PADD 2 (Petroleum Administrative District Defence) como se observa en los mapas climatológicos y de carreteras de ambos países (Fig. 1, 2, 3 y 5). En este artículo técnico se presenta la caracterización de los asfaltos AC-20 de las refinerías antes mencionadas y su impacto en el mejoramiento de la red de carreteras, además de las fortale7.as para su producción a mediano plazo para consumo nacional y exportación ya que el principal ingrediente para su formulación lo constituirán los residuos pesados obtenidos por la refinación de los crudos Panuco, Tamaulipas y Maya, principalmente y diluentes de características predominantemente nafténicas o no parafínicas de bajas temperaturas de transición vítreas que aseguran una alta funcionalidad de los asfaltos PG formulados con este tipo de corrientes. Introducción En México se utilizan aproximadamente 500,000 ton/año de mezcla de concreto asfáltico del tipo Hot-Mix (HMA) en la construcción de pavimentas flexibles (carpeta con espesores inferiores a 5 cm) (7). El asfalto utilizado para la construcción de estas carpetas es el denominado AC-20, que se produce en las refinerías de Cadereyta, N.L, Cd. Madero Tamps., Salamanca, Gto., Salina Cruz, Oax. y Tula, Hgo. y clasificados bajo la especificación de Pemex 514/95, la cual se basa principalmente en la medición de la viscosidad. Dado el carácter empírico de esta clasificación no es posible obtener una relación consistente entre las propiedades del asfalto mediante esta técnica, así como el comportamiento que se pueda presentar con el tiempo en el camino bajo las condiciones reales de climatología y de la carga a la que es sometida la carpeta asfáltica. Además carece de una medida fundamental de las propiedades del asfalto relacionada con el comportamiento en servicio y en el rango de altas temperaturas mide la viscosidad a 60 °C, la cual no es adecuada para algunos asfaltos, particularmente los envejecidos; adicionalmente no contempla ensayos que puedan caracterizar sus propiedades a bajas temperaturas. Las actuales normas Superpave desarrolladas por el SHRP (Strategic Highway Research Program) y avaladas por el método AASHTO MP-1 (American Association of State Highway Transportation Officials) (4) permiten en la actualidad, clasificar a los asfaltos como del tipo PG (4), las cuales pueden ser correlacionables con los principales modos de falla de un pavimento flexible bajo las condiciones ambientales y transito del lugar. Contempla para este fin ensayos para determinar la temperatura de diseño del pavimento, que se basa en la temperatura máxima promedio del aire de los 7 días del mes mas calurosos del año y de la temperatura minima registrada en el lugar durante el año (3, 4), así mismo permite determinar la deformación permanente tanto en asfaltos vírgenes como envejecidos. Así también permite conocer la desintegración que se pueda presentar por fatiga y por bajas temperaturas (2, 4, 5. 6, 8). La República Mexicana tiene un área territorial de 1,958,201 Km2, con una población aproximada de 90 millones de habitantes (1) y una longitud de carreteras y caminos de 365,119 KM.(CAPUFE 1999) (147,456 Km. de caminos rurales, 217,663 Km. pavimentados), de los cuales un 15 % se someten a mantenimiento(l). Como se puede observar la longitud de los pavimentos construidos es muy pequeña comparada con la densidad de población y el área territorial existente, por lo que es necesario efectuar la construcción de nuevas rutas de caminos con carpetas asfálticas flexibles, pero ahora con asfaltos adecuados al transito y condiciones ambientales de las diferentes regiones, que permitan disminuir el porcentaje de mantenimiento de los pavimentos. Por tal motivo a diversas muestras de asfaltos AC-20, elaboradas en tiempos diferentes en las Refinerías de Cadereyta, N.L., Cd. Madero, Tamps. y Salamanca, Gto., se les efectuaron los ensayos correspondientes para los asfaltos de grado PG, para conocer su ubicación con respecto a la norma AASHTO MP-1 y además para efectuar su pronta aplicación en las diferentes regiones de México como se puede observar en el mapa de las Figuras No. 1, 2, 3 y 4 o su posible exportación a algunas regiones de E.U.A. (mapa de la Figura No. 5). Parte experimental y determinación de temperaturas del pavimento La parte experimental se llevo a cabo con la caracterización de los aceites crudos de cada una de las refinerías antes mencionadas (Tabla No. 1), los cuales son las bases para obtener las corrientes (residuos y diluentes) utilizadas en la formulación de los asfaltos AC-20, (Tablas No. 2 y 3). Posteriormente las diversas muestras de asfaltos (10 por refinería), fueran sometidas a las pruebas típicas de grado viscosidad AC-20, encontrándose que todas ellas cumplen correctamente con las especificaciones establecidas para este producto coma se observa en las Tablas No. 4, 5 y 6. A continuación los asfaltos AC-20 se analizaron con los métodos de prueba de funcionalidad, norma AASHTO MP-l, como se indica en las Tablas No. 7, 8 y 9. Estas pruebas fueron realizadas en un reómetro de corte dinámico (Dynamic Shear Rheometer) estándar para el SHRP, que mantiene un torque constante, a una frecuencia de oscilación de 10 rad./s a diferentes temperaturas, que permite cuantificar la deformación angular al aplicar 10 ciclos y que fue aplicada tanto al asfalto original como a los envejecidos por los métodos RTFOT y PAW). El procedimiento del RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) se utiliza para simular el envejecimiento a corto plazo del asfalto y el PAV (Pressure Aging Vessel) para simular el envejecimiento a largo plazo como máximo 10 años (4). Este reómetro permite determinar el modulo complejo de corte G* y un ángulo de fase φ. Al relacionar el primer parámetro con el Sen 0 se obtiene una correlación para medir deformaciones permanentes (rutting); en el asfalto original G*/Sen φ debe ser 1.0 kPa como mínimo, para el envejecido con RTFOT G*/Sen φ debe adoptar un valor de 2.2 kPa como mínimo, en el caso del asfalto envejecido por medio del PAV la deformación se determina por la relación G*Sen φ < 5000 kPa, la cual es una indicación de que el asfalto no presentara problemas de desintegración por cargas dinámicas a través del tiempo, cuando circulen vehículos a una velocidad de 60 millas/h, con un peso de 9 ton. y una repetición de ejes duales de 10 millones. Para determinar la rigidez a la deformación se utilizo un reómetro de flexión (Bending Beam Rheometer), que indica el comportamiento (resistencia al fisuramiento térmico) del asfalto a bajas temperaturas, mediante los parámetros S (velocidad de deformación) < 300 MPa y m (velocidad de deformación) > 0.3 m. Para asegurar que los asfaltos sean suficientemente fluidos para ser transportados, bombeados y mezclados, se utiliza la viscosidad Brookfield, que se determina en un viscosímetro rotacional a 135 °C. En la determinación de la temperatura máxima del pavimento se utilizo la siguiente formula del SHRP: ( ) T20 mm = Tair − 0.00618Lat 2 + 0.2289Lat + 42.2 (0.9545 ) − 17.78 donde: T20mm = Temperatura máxima del pavimento a una profundidad de 20 mm. Tair = promedio de la temperaturas mas altas del aire en 7 días. Lat. = Latitud del lugar La regla general de los resultados obtenidos de esta ecuación es la de incrementar un grado de comportamiento del ligante para cargas mas lentas o bien incrementar hasta 6 °C la temperatura del diseño del pavimento para cargas lentas y tráfico pesado. Para la temperatura minima, esta fue seleccionada de la temperatura mas baja registrada en cada lugar como recomienda el SHRP, las cuales fueron tomadas del banco de datos del Sistema Meteorológico Nacional de 1998. La minima temperatura reportada durante este año, fue en el estado de Durango con -15 °C. Discusión de resultados Las fuentes de las cuales se obtienen las corrientes para formular los asfaltos AC-20 en la mayoría de las refinerías de Pemex Refinación es la mezcla de los aceites crudos Istmo/Maya, de naturaleza intermedia (nafténica-parafínica con un valor del factor K de 11.84); siendo diferente únicamente en la Refinería de Cd. Madero, Tamps., en donde se utiliza la mezcla de aceites crudos Panuco/Tamaulipas de naturaleza nafténica (factor K de 11.57), Tabla No. 1. Todas las Refinerías utilizan como materia prima principal residuos de la destilación a vacío de los aceites crudos antes mencionados (Tablas No. 2 y 3), excepto en la Refinería de Salamanca, Gto., que además de utilizar el residuo de vacío, también utiliza un residuo derivado del proceso de obtención de lubricantes pesados (desasfaltado) por medio de la extracción liquido-liquido de un residuo derivado de aceites crudos lubricanteros (Tablas No. 2 y 3). Las propiedades de estos residuales indican que su viscosidad es mayor a la requerida para obtener asfalto AC-20, por lo que es necesario diluirlos hasta alcanzar [as especificaciones de este asfalto. Estos diluentes utilizados en la formulación del asfalto AC:20 son obtenidos en diferentes procesos, así tenemos que el gasóleo pesado se obtiene del proceso de la destilación a vacío de naturaleza nafténica (factor k de 11.52); el extracto aromático es de naturaleza extremadamente nafténica (factor k de 11.25); que proviene del proceso de desaromatizado de lubricantes y por ultimo el extracto Pemex de naturaleza intermedia (factor k de 11.70); que es obtenido en el proceso de extracción liquido-liquido de residuos de vacío, Tablas No. 2 y 3. A pesar de que los asfaltos que se producen en estas Refinerías utilizan diluentes diferentes y como en el caso de Salamanca un residuo adicional (desasfaltado), su calidad es excelente como AC-20, ya que cumplen correctamente con la especificación establecidas para este producto, tablas 4, 5 y 6. El análisis Superpave realizados a todas las muestras de asfaltos AC-20 (10 por refinería) indican que su calidad es adecuada para trabajar como diversos tipos de grado PG, ya que se puede producir una gran diversidad de ellos, como se puede observar a continuación: REFINERÍA TIPOS DE ASFALTO Cadereyta 64-28/64-34/70-22/7028 Madero 64-22/64-28/70-28 Salamanca 64-16/64-22 Las propiedades reológicas de la deformación y por esfuerzo de corte que exhiben estos asfaltos, indican que a las temperaturas de los asfaltos PG mostradas en la tabla anterior, no se presentarán problemas de deformación permanente ni desintegración por fatiga, al set utilizados en la elaboración de carpetas flexibles, tablas No. 7, 8 y 9. El buen funcionamiento de estos tipos de asfaltos dependerá del tipo de material pétreo que se utilice en el lugar de so aplicación. Para la elaboración de las figuras correspondientes al diseño del pavimento, estas fueron realizadas en base a la temperatura máxima del pavimento a 20mm más 6 °C, como se indica en la hoja anterior y la temperatura minima del lugar durante el año, considerando un tráfico lento y pesado. Conclusiones • Los asfaltos AC-20 que se producen en Pemex Refinación pueden ser comercializados como del tipo PG en una gran variedad de ellos que van desde un 64-16 hasta un 70-28, para set utilizados en la construcción de carpetas flexibles con el método HOT MIX en casi todo el territorio mexicano (Fig. No. 3). Además su producción puede ser aumentada sobre todo en las Refinerías de Cadereyta y Salamanca, para un probable exportación a los EUA, ya que una extensa región de este país (PADD 2) requiere de estas especies asfálticas en sus carreteras, Fig. No. 5. • Los solventes utilizados en la formulación de Ios asfaltos AC-20, son de un carácter predominantemente nafténico e intermedio, que ayudan a que este producto presente un excelente comportamiento a bajas temperatura. Dichos solventes contienen muy bajo contenido de parafinas y en algunos casos como en el extracto aromático, su contenido es prácticamente nulo (factor K = 11.25 indica un compuesto totalmente aromático). • Aunque no se presentan Ios resultados de los asfaltos AC-20 de las Refinerías de Salina Cruz y Tula, se espera que estos exhiban un comportamiento mínimo de grado PG 6416, ya que utiliza en sus esquemas de refinación la mezcla de crudo Istmo/Maya, que se emplea en Ia Refinería de Cadereyta. • Dada la diversidad de Ios asfaltos PG que se pueden obtener en las diferentes refinerías, se elaboro un mapa de distribución de estos asfaltos, de donde podemos observar que en la Republica Mexicana, la Refinería do Salina Cruz puede abastecer algunas regiones del Pacifico y Golfo; Salamanca y Tula la zona Centro y finalmente, Madero y Cadereyta la zona Norte y parte del Golfo, Fig. N. 4. ISTMO/MAYA PANUCOTAMAULIPAS OLMECA-ISTMOPOZOLEO Peso especifico 60/60 °F 0.8808 0.9633 0.8652 Gravedad ºAPI Viscosidad a 25 °C, cSt 29,16 17.78 15.39 2700.5 32.05 13.68 Azufre total, %peso 2.43 5.50 1.49 Factor de caracterización K 11.84 11.57 11.94 Metales Ni + V, p.p.m. 158.7 306.3 64.2 PROPIEDAD Tabla No. l. - Características de aceites crudos REFINERÍA CORRIENTE: RESIDUO DE VACÍO CADEREYTA MADERO SALAMANCA X X X RESIDUO DE DESASFALTADORA EXTRACTO DEMEX SALINA TULA CRUZ X X X X X X EXTRACTO AROMÁTICO X GASÓLEO PESADO DE VACÍO X Tabla No. 2. - Corrientes de la refinación del petróleo que intervienen en la formulación de asfaltos AC-20 CORRIENTE REFINERÍA ACEITE CRUDO DE PROCEDENCIA NATURALEZA DEL ACEITE CRUDO RESIDUO DE VACÍO CADEREYTA lSTMO/MAYA INTERMEDIO RESIDUO DE VACÍO MADERO PANUCO/TAMAULIPAS NAFTÉNICO RESIDUO DE VAC10 SALAMANCA ISTMO/MAYA INTERMEDIO RESIDUO DE DESASFALTADORA RESIDUO DE VACÍO SALAMANCA OLMECA/ISTMO/POZOLEO SALINA CRUZ ISTM0/MAYA INTERMEDIO (LUBRICANTERO) INTERMEDIO RESIDUO DE VACÍO TULA ISTMO/MAYA INTERMEDIO GASÓLEO PESADO CADEREYTA, SALINA CRUZ Y TULA ISTMO/MAYA INTERMEDIO EXTRACTO DEMEX MADERO ISTMO/MAYA/ZONA NORTE INTERMEDIO SALAMANCA OLMECA/ISTMO/POZOLEO INTERMEDIO (LUBRICANTERO) EXTRACTO AROMÁTICO Tabla no. 3. - Fuentes de procedencia de las corrientes utilizadas en la formulación de asfaltos AC-20. 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