3-tecnologÍa cemento asfÁltico uptc

Ing. Msc. GONZALO PEREZ BUITRAGO 111-may-05

MATERIALES ASFÁLTICOS PARA CARRETERAS

INGENIERÍA DE TRANSPORTE Y VÍAS

UPTC

Ing. MSc. GONZALO PÉREZ BUITRAGO


TECNOLOGÍA DEL CEMENTO ASFÁLTICOTECNOLOGÍA DEL CEMENTO ASFÁLTICO

CRUDOS DEL CRUDOS DEL PETROLEOPETROLEO

BETUNESBETUNES

Hidrocarburos sólidos, líquidos y gaseosos

Hidrocarburos de origen natural o pirogénico con derivados no metálicos de alto peso molecular, consistencia líquida, aceitosa o sólida, solubles en sulfuro de carbono

MATERIAL MATERIAL BITUMINOSOBITUMINOSO

Material que contiene betunes (petróleo, asfalto, rocas asfálticas, alquitrán, brea): ´Sólidos, Semisólidos y Líquidos)

Material bituminoso de color negro a pardo oscuro con propiedades aglutinantes, impermeabilizantes, flexibilidad, durabilidad y alta resitencia a ácidos, sales y alcoholes, producidos por destilación del crudo. Material ideal pavimentos flexibles

ASFALTOASFALTO


PRODUCTOS BITUMONOSOS


PROCESO DE PROCESO DE REFINACIÓN DEL REFINACIÓN DEL

CRUDOCRUDO


PROCESO DE REFINACIÓN DEL CRUDOPROCESO DE REFINACIÓN DEL CRUDO



Petróleo Crudo

LPG

Gasolina

Turbosina

Kerosina

Diesel

Residuo Primario

Gasóleo Ligero De Vacío

Gasóleo Pesado De Vacío

ASFALTO

4443

A / TS y/o C / TS

DESTILACIÓN PRIMARIA

DESTILACIÓN ALTO VACÍO

Propano-Propileno

Butano-Butileno

Gasolina Catalítica

A.C.L.

A. Decantado

DESINTEGRACIÓN CATALÍTICA

Residuo De Vacío

90% Residuo De Vacío 10% G. Pesado De Vacío

Proporciones para la preparación de asfalto


TECNOLOGÍA DEL CEMENTO ASFÁLTICO

CRUDOS DEL PETROLEOCRUDOS DEL PETROLEO

CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS DE LOS

CRUDOSCRUDOS

DE ACUERDO A LA DENSIDAD

•Crudos Pesados. Bajo Grado API. Alto porcentaje de betún (<10) Crudos Livianos. Alto Grado API. Bajo porcentaje de betún (>30)

•Crudos Medianos. Grado API intermedio.(10-30)

•DE ACUERDO AL CONTENIDO DE BETUN Y COMPOSICIÓN QUÍMICA

•Petróleos de Base asfáltica o Nafténica.

•Petróleos de Base No asfáltica o Parafínica

•Petróleos de Base Mixta, Semiasfáltica o Semiparafínica

( ) 5.1315.141 −=° PEAPI


TECNOLOGÍA DEL CEMENTO ASFÁLTICO

GRADOS API GRADOS API (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE)(AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE)

( ) 5.1315.141 −=° PEAPIRendimientos desde 1% (crudos Livianos) al 60% (Crudos Pesados)


MATERIALES ASFÁLTICOS UTILIZADOS EN CARRETERAS

1. CEMENTOS ASFÁLTICOS O DE PENETRACIÓN

2. ASFALTOS LÍQUIDOS, REBAJADOS, FLUXADOS O CUTBACKS

3. EMULSIONES ASFÁLTICAS

4. ASFALTOS NATURALES

5. CRUDOS DEL PETRÓLEO

6. ASFALTOS MODIFICADOS

7. ASFALTOS ESPUMADOS

Curado Rápido, Medio y Lento

Rompimiento Rápido, Medio y Lento

Crudo de Castilla

Asfaltita, Gilsonita (Manantiales, Lagos, Exudaciones, Impregnaciones, Filones

Asfalto Residual (Destilació Petróleo)

Adición de Polímeros Termoplásticos: Plastómeros (EVA, PVC) y Elastómeros

(SBS,SBR)

Adición al AC de pequeño % de agua


ASFALTOS PARA CARRETERAS


EMULSIONES ASFÁLTICAS


PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ASFÁLTICOS

PROPIEDADES QUÍMICAS PROPIEDADES FÍSICAS O MECÁNICAS

•Densidad

•Dureza

•Color

•Olor

•Resistencia

•Rigidez

ESPECÍFICAS ACCIDENTALES•Peso

•Dimensión

•Volumen

• Partículas fundamentales (Protón, Electrón, Neutrón)

• Átomos. Elementos Químicos (Metales, No Metales, gases nobles e inertes, transición y Tierras raras)

• Moléculas

• Compuestos

• Mezclas

Hidrocarburos Oxigenados, Nitrogenados, de Azufre, Asfálticos y Resinosos, Organometálicos


COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ASFALTO

Material compuesto por mezclas complejas de compuestos orgánicos o hidrocarburos de alto peso molecular, en proporciones muy diferentes.

Los hidrocarburos constituyentes de los asfaltos pueden pertenecer a uno o varios de los siguientes grupos:

1. ALIFÁTICOS SATURADOS O PARAFÍNICOS

2. NAFTÉNICOS O CICLOPARAFÍNICOS

3. AROMÁTICOS

4. ALIFÁTICOS NO SATURADOS

OTROS COMPONENTES BÁSICOS (Heteroátomos, o elementos únicos): Azufre (1-7%), Oxigeno (0.25 – 2%), Vanadio (100.1500 ppm), Niquel (20-200 ppm), Nitrógeno (0.5 –3.0%), etc, además del Hidrógeno y el Carbono.


MODELO QUÍMICO MISCELAR DEL ASFALTO

ESTRUCTURA MOLECULAR CONVENCIONAL ESTRUCTURA MOLECULAR CONVENCIONAL (Solución Coloidad SOL O GEL)(Solución Coloidad SOL O GEL)

15% – 20%

MALTENOS = RESINAS + ACEITES


MODELO QUÍMICO DEL ASFALTO


MODELO QUÍMICO DEL ASFALTO

MODELO DESARROLLADOMODELO DESARROLLADO POR SHRPPOR SHRP(Strategic Highway Research Program)(Strategic Highway Research Program)


CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTO

Calidad del material (Uso Real)

Tramos experimentales de Prueba o Pistas de Ensayo

Ensayos acelerados de Laboratorio

ENSAYOS DE ENSAYOS DE CARÁCTER PRÁCTICOCARÁCTER PRÁCTICO

Viscosidad

Comportamiento Reológico

Análisis Químico

ENSAYOS DE ENSAYOS DE CARÁCTER CIENTÍFICOCARÁCTER CIENTÍFICO

Aparatos normalizados en dimensiones y condiciones operativas. Se utilizan en los Laboratorios Viales para verificar si los materiales utilizados se hallan dentro de los límites establecidos en las especificaciones

ENSAYOS DE ENSAYOS DE CARÁCTER EMPÍRICOCARÁCTER EMPÍRICO



CARACTERIZACIÓN QUÍMICA

CARACTERIZACIÓN FÍSICA

1. Fraccionamiento por Precipitación Química (Rostler y Sternberg)

2. Fraccionamiento por Destilación

3. Separación Cromatográfica por Afinidad de Corbett

4. Análisis Químico (SARA)

5. Análisis de Pesos Moleculares

CARACTERIZACIÓN CARACTERIZACIÓN QUÍMICAQUÍMICA

Cromatrografía líquida (SARA) Resonancia Magnética nuclear (RMN)

Espectroscopía Infraroja (IR) Difracción de Rayos X

Microscopía electrónica Fluorescencia


ANÁLISIS SARA

S = Saturados (Paraf´{inicos y nafténicos)

A = Aromáticos (de bajo peso molecular)

R = Resinas de alto peso molecular y polares)

A= Asfaltenos (poliaromáticos de muy alt pesro molecular, altamente deshidrogenados y generalmente polares


MÉTODO DE FRACIONAMIENTO ROSTLER Y STERNBERG


METODO SELECTIVO ABSORCIÓN –DESORCIÓN DE CORBETTCROMATOGRAFÍA LÍQUIDA (POR AFINIDAD DE CORBETT)



CARACTERIZACIÓN CARACTERIZACIÓN FÍSICAFÍSICA

ENSAYOS PARA MEDICIÓN DE CONSISTENCIA: Penetración, Viscosidad, Punto de ablandamiento, Ductilidad, Fragilidad de fraas

ENSAYOS DE DURABILIDAD: Envejecimiento a Corto y Largo Plazo TFOT, RTFOT, PAV

ENSAYOS DE PUREZA: Solubilidad, Ensayo de la Mancha (Oliensis), Equivalente Heptano-Xileno.

ENSAYOS DE SEGURIDAD: Inflamación, Chispa (Flash Point) y Punto de Ignición, Llama o Flama

OTROS ENSAYOS: Pesos Específicos, Destilación, Contenido de Agua, Afinidad con los agregados (Stripping, Riedel Weber)


TEMPERATURA PARA LOS ENSAYOS


ENSAYO DE PENETRACIÓN


PUNTO DE ABLANDAMIENTOENSAYO DE ANILLO Y BOLA (R & B)

(Ring and Ball)


PUNTO DE ABLANDAMIENTO


DUCTILIDAD DE LOS ASFALTOS



RECUPERACIÓN ELÁSTICA EN ASFALTOS

MODIFICADOS


FRAGILIDAD DE FRAAS


VISCOSIDAD DE LOS ASFALTOS

EQUIPOS DE MEDICIÓN DE VISCOSIDAD ABSOLUTAMICROVISCOSÍMETRO DE CARAS PARALELAS

VISCOSÍMETRO CONICILÍNDRICO ROTATIVO

VISCOSÍMETROS CAPILARES

EQUIPOS SECUNDARIOSVISCOSÍMETROS SAYBOLT FUROL

VISCOSÍMETRO BROOKFIELD

EQUIPOS TÉCNICOS O EMPÍRICOSPENETRACIÓN, PUNTO DE ABLANDAM IENTO


MICROVISCOSÍMETRO DE CARAS PARALELAS


VISCOSIDAD DE LOS ASFALTOSF = Fuerza Cortante (gramos)

A = Area de las Placas

dv = Velocidad de Movimiento Relativo

= Velocidad de Flujo o Gradiente de Velocidad

τ = Esfuerzo Cortante

µ = Viscosidad Dinámica o Absoluta (Poises ó Pa. s)

ρ = Viscosidad Cinemática (Stokes, cStk)

γ = Densidad del Fluido

dydv

dydvAF ..µ=

Poises

cmscmg

dydvdy

dvAF

scmg ==

−==⇒== −1

/2

2

τµµτ

Stokes

cm

cmg

scmg

==−==2

3γµρ

SegundoPascalsPasdy

dvdydv

AF m

N−====⇒== .1

2τµµτI Pa.s = 10 Poises


VISCOSÍMETRO CAPILAR


VISCOSIDAD SAYBOLT FUROL


VISCOSÍMETRO BROOKFIELD


SUSCEPTIBILIDAD TERMICA DEL ASFALTO

TEMPERATURA13560250


VISCOSIDAD DE LOS ASFALTOS

VALORES DE LA VISCOSIDAD DEL ASFALTO EN POISES:

2 - 3 a 140°C, 107 a 25°C y 1010 a Bajas Temperaturas

MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD

ABSOLUTOS: Microviscosímetors de caras paralelas, Viscosímetro Cionicilíndrico Rotativo, Visco´simetros capilares

SECUNDARIOS: Viscosímetro Saybolt Furol, Brookfield

TÉCNICOS O EMPÍRICOS: Penetración, Punto de Ablandamiento

16.2

1010*58.1Pen

=µ 2*)( sSFcSTK =ρ


MÉTODOS PARA MEDIR LA SUSCEPTIBILIDAD TERMICA DEL ASFALTO

1. ÍNDICE DE PENETRACIÓN DE PFEIFFER Y VAN DOORMAL

2. CURVA BTDC (Bitumen Test Date Chart de Heukelom)

3. NÚMERO DE PENETRACIÓN – VISCOSIDAD (PVN)

4. SUCEPTIBILIDAD DE LA VISCOSIDAD A LA TEMPERATURA


ÍNDICE DE PENETRACIÓN DE PFEIFFER Y VAN DOORMAL

Nomograma SHELL para obtener el IP Nomograma de Pfeiffer para obtener IP


ÍNDICE DE PENETRACIÓN DE PFEIFFER Y VAN DOORMAL

AAIP

50150020

+−

=21

)()(21

TTPenLogPenLog

A TT

−−

=

PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS PARA PAVIMENTOS SE DEBE EXIGIR QUE: -1 < IP < 1

NORMAS INVIAS INV E -724

)(*4 & PenBR TTLogU −=

VUVUIP

3030020

+−

=

)()800(PenTPenLogLogV −=


NÚMERO PENETRACIÓN VISCOSIDAD (PVN)

( )MLXLPVN

−−

−= 5.1

X = Logaritmo de la Viscosidad medida a 135°C

L = Logaritmo de la Viscosidad a 135°C para un PVN de 0.0

M = Logaritmo de la Viscosidad a 135°C para un PVN de –1.5

( )PenLogL 7967.025800.4 −=

( )PenLogM 61094.046289.3 −=Baja susceptibilidad-2.0 < PVN < +0.5Alta susceptibilidad


SUSCEPTIBILIDAD DE VISCOSIDAD A LA TEMPERATURA

( ) ( )( ) ( )21

21

TLogTLogVLogLogVLogLog

SVT TT

−−

=

3.36 < SVT < 3.98 Alta susceptibilidadBaja susceptibilidad


No. Repeticiones de Carga

Esfuerzos o Deormaciones

.1.1

.2.2

.3.3

.5.5

11

55

100100 110110 120120 130130 140140 150150 160160 170170 180180 190190 200200

TemperaturaTemperatura, C, C

Viscosity, Viscosity, Cst Cst

Compaction RangeCompaction Range

Mixing RangeMixing Range


CURVA REOLOGICA (VISCOSIDAD TEMPERTURA


NOMOGRAMA DE KEUKELOM BTDC (Bitumen Test Data Chart)


ENSAYO DE ENVEJECIMIENTO EN HORNO EN PELÍCULA FINA

TFOT = Thin Film Oven Test)100*

original Asfalto deln Penetracióenvejcido Asfalton Penetració retenida Pentración % =


ENSAYO DE ENVEJECIMIENTO EN HORNO EN PELÍCULA FINA ROTATIVA

RTFOT = Rolling Thin Film Oven Test)

100*original Asfalto deln Penetració

envejcido Asfalton Penetració retenida Pentración % =

original Asfalto del Viscosidadenvejcido Asfalto Viscosidad entoEnvejecimi de Indice =


VAJILLA ENVEJECIMIENTO A PRESION (SHRP)

PAV = PRESSURE AGEING VESSEL

Una vez se ha envejecido la muestra en el horno de película delgada giratoria (RTFO), se traslada la muestra de ligante al PAV donde es sometida a alta presión (300 PSI ó 2070 kPa) y temperatura (90°, 100° ó 110°C, según condiciones climáticas a las que se someta el asfalto) por espacio de 20 horas para simular los efectos del envejecimiento a largo plazo.


ENSAYO DE SOLUBILIDAD


PRUEBA DE LA MANCHA OLIENSIS

EQUIVALENTE HEPTANO XILENO


PUNTO DE INFLAMACIÓN, CHISPA (FLASHPONT) Y PUNTO DE IGNICIÓN O LLAMA


PUNTO DE INFLAMACIÓN, CHISPA (FLASHPONT) Y PUNTO DE IGNICIÓN, COMBUSTIÓN O LLAMA


ADHERENCIA EN BANDEJA


CLASIFICACIÓN DE LOS CEMENTOS ASFÁLTICOS

1. CLASIFICACIÓN POR PENETRACIÓN

2. CLASIFICACIÓN POR VISCOSIDAD (Asfalto Original y Envejecido)

3. CLASIFICACIÓN POR DESEMPEÑO (P.G. = Performance Grade)


CLASIFICACIÓN DE LOS CEMENTOS ASFÁLTICOS


CLASIFICACIÓN CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN (INV C-400/410)


SUSCEPTIBILIDAD DEL ASFALTO


CLASIFICACIÓN CEMENTOS ASFÁLTICOS POR VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL


CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOSSEGÚN SU VISCOSIDAD DINÁMICA A 60°CTABLA 2.- Clasificación de los cementos asfálticos

según su viscosidad dinámica a 600 C

Clasificación Viscosidad a 60°CPa·s (P [1])

Usos más comunes

AC-5 50 ± 10(500 ± 100)

En la elaboración de carpetas de mezcla en calientedentro de las regiones indicadas como Zona 1 enla Figura 1.En la elaboración de emulsiones asfálticas que seutilicen para riegos de impregnación, de liga yporeo con arena, así como en estabilizaciones.

AC-10 100 ± 20(1 000 ± 200)

En la elaboración de carpetas de mezcla en calientedentro de las regiones indicadas como Zona 2 enla Figura 1.En la elaboración de emulsiones asfálticas que seutilicen en carpetas y morteros de mezcla en frío,así como en carpetas por el sistema de riegos,dentro de las regiones indicadas como Zona 1 enla Figura 1.

Continúa


Continúa

Viscosidad a 60°CPa·s (P )[1]

Clasificación Usos más comunes

En la elaboración de carpetas de mezcla en calientedentro de las regiones indicadas como Zona 3 enla Figura 1.En la elaboración de emulsiones asfálticas que seutilicen en carpetas y morteros de mezcla en frío,así como en carpetas por el sistema de riegos,dentro de las regiones indicadas como Zona 2 enla Figura 1.

En la elaboración de carpetas de mezcla en calientedentro de las regiones indicadas como Zona 4 enla Figura 1.En la elaboración de emulsiones asfálticas que seutilicen en carpetas y morteros de mezcla en frío,así como en carpetas por el sistema de riegos,dentro de las regiones indicadas como Zonas 3 y 4en la Figura 1.En la elaboración de asfaltos rebajados en general,para utilizarse en carpetas de mezcla en frío, asícomo en riegos de impregnación.

200 ± 40(2 000 ± 400)AC-20

300 ± 60(3 000 ± 600)AC-30

[1] Poises


SUSCEPTIBILIDAD DEL ASFALTO


CLASIFICACIÓN CEMENTOS ASFÁLTICOS POR VISCOSIDAD DEL ASFALTO ENVEJECIDO


EQUIVALENCIA DE LA CLASIFICACIÓN CEMENTOS ASFÁLTICOS POR VISCOSIDAD DEL

ASFALTO ORIGINAL Y ENVEJECIDO


EQUIVALENCIA DE LA CLASIFICACIÓN CEMENTOS ASFÁLTICOSPOR VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL Y ENVEJECIDO


ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS EN COLOMBIA

CEMENTO ASFÁLTICO DE CARTAGENA



CEMENTO ASFÁLTICO DE CARTAGENA



CEMENTO ASFÁLTICO DE APIAY



CEMENTO ASFÁLTICO DE BARRANCA BERMEJA


MODULO DE RIGIDEZ (STIFNESS) DEL ASFALTO

( )εσ

=TtS ,σ

ε

S = Stiffness o Módulo de Rigidez del Asfalto (Kg/cm2) o PSI

σ = Esfuerzo aplicado

ε = Deformación Unitaria

t = Tiempo de carga

T = Temperatura del ensayo


STIFNESS DEL ASFALTO


CURVAS MAESTRAS


PROPIEDADES REOLÓGICAS DEL ASFALTO Y COMPORTAMIENTO EN SERVICIO


INFLUENCIA DE LAS PROPIEDADES REOLÓGICAS DEL ASFALTO EN EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO

DESPRENDIMIENTO DE PARTÍCULAS

FISURAMIENTO

AHUELLAMIENTO

PÉRDIDA DE ADHERENCIA O STRIPPING


DURABILIDAD DE LOS ASFALTOS

FACTORES QUE AFECTAN LA DURABILIDAD:

1. OXIDACIÓN

2. VOLATILIZACIÓN

3. POLIMERIZACIÓN

4. TIXOTROPÍA

5. SINÉRESIS

6. SEPARACIÓN

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