apuntes asfaltos y mezclas asfÁlticas

8/13/2019 APUNTES ASFALTOS Y MEZCLAS ASFÁLTICAS

http://slidepdf.com/reader/full/apuntes-asfaltos-y-mezclas-asfalticas 1/31

ASFALTOS YMEZCLASASFALTICAS

noviembre 30

2012Resumen de los apuntes de clases de la AsignaturaAsfaltos y Mezclas Asfálticas de la Maestría enConstrucción de Obras Viales de la Universidad SantoTomas. Periodo 2012-II

APUNTESDE CLASE



ASFALTOS Y MEZCLAS ASFALTICAS 2012

1

TABLA DE CONTENIDO




2

LISTA DE ILUSTRACIONES




3

LISTA DE TABLAS




4

1. GENERALIDADES

1.1. BITUMEN

El bitumen es una mezcla de líquidos orgánicos altamente viscosa, de color negro,pegajoso, completamente soluble en disulfuro de carbono y compuesto principalmente porhidrocarburos aromáticos policiclicos. Es la fracción residual de la destilación fraccionadade petróleo.

Es la fracción más pesada del petróleo y la que tiene el punto de ebullición más elevada.Si está mezclado con minerales, se conoce como asfalto. En Mesopotamia y en el Valledel Indo se utilizaba el Bitumen en la construcción de caminos y en albañilería. Por otrolado, en Egipto se utilizó en la momificación hasta el año 3.000 a.C.

Químicamente está compuesto por Azufre y metales pesados tales como Níquel, Vanadio,Plomo, Cromo, Mercurio y adicionalmente Arsénico y Selenio entre otros elementostóxicos.

1.2. ASFALTOS DE REFINERIA

Son los asfaltos que se obtienen como un subproducto de la refinación del petróleo. Parala producción de este tipo de asfaltos, los crudos ideales son los conocidos como CrudosNafténicos, que son muy espesos. Debe tenerse en cuenta que no todos los crudos sirvenpara producir asfalto.

Las características del asfalto que se obtenga dependen en gran medida de lascaracterísticas del crudo a partir del cual se obtiene.




5

Ilustración 1: Esquema de una Refinería.

1.2.1. GRAVEDAD API:

La gravedad API (American Petroleum Institute) es una medida de la densidad que alcompararla con la del agua indica que tan liviano o pesado es el petróleo. La gravedad

API de un crudo se calcula a partir de su Gravedad Especifica como:

(

)

1.3. ASFALTOS NATURALES Y CRUDOS PESADOS:

Los Asfaltos Naturales son aquellos que se encuentran dentro de la Corteza Terrestre yque se han formado a grandes presiones. Los crudos pesados son aquellos de los cuales

se puede obtener asfalto, en Colombia, los más grandes yacimientos se encuentran en elDepartamento de Putumayo (Cedrales) y en el Meta (Castilla y Rubiales).

En cuanto a los asfaltos naturales, estos se pueden encontrar como una mezcla complejade hidrocarburos en algunas cuencas petroleras, tales como el Lago de Asfalto de




6

Guanoco, ubicado en el Estado Sucre, Venezuela, el cual cuenta con 4 Km2 de extensión

y 75 millones de barriles de asfalto natural, lo cual lo convierte en el lago de asfalto másextenso del mundo.

A este, le sigue en extensión el lago de asfalto de la Brea, ubicado en la Isla de Trinidad.Este asfalto es relativamente fácil de extraer y de excelente calidad pero debido aaspectos económicos, la utilización del asfalto de refinería está mucho más extendida.

1.4. ASFALTOS PARA PAVIMENTOS:

El asfalto para pavimentos es un material viscoso, pegajoso y de color negro, que se usacomo ligante en mezclas asfálticas para la construcción de carreteras, vías o autopistas.Está presente en el petróleo crudo y compuesto casi por completo de bitumen. Su nombre

proviene del Lago Asfaltites (el Mar Muerto), en el Rio Jordán.El asfalto utilizado en Pavimentos es el asfalto de refinería y debe tener característicasadecuadas tales como ser un material impermeable, adherente y cohesivo, tal que seacapaz de resistir altos esfuerzos instantáneos y fluir bajo la acción de cargaspermanentes, de tal manera que cumpla las siguientes funciones:

Impermeabilizar la estructura de pavimento, de tal manera que sea poco sensiblea la humedad y que sea eficaz contra la penetración del agua proveniente de laprecipitación.

Proporcionar una íntima unión y cohesión entre los agregados, que sea capaz deresistir las cargas de disgregación producidas por el tránsito de los vehículos.

Adicionalmente, mejora la capacidad portante de la estructura de tal manera quese puede reducir el espesor de las capas estructurales.

Las temperaturas óptimas para el mezclado y la compactación del asfalto en ellaboratorio, son:

Mezclado: Entre 144,9 y 149,3 °C. Compactación: Entre 136,1 y 139,9 °C.




7

2. PARAMETROS BASICOS

Entre otros, para el estudio, control y uso del asfalto, se deben considerar los siguientesparámetros básicos:

2.1. CONSISTENCIA

El asfalto es un material termoplástico, lo cual quiere decir que sus propiedades dependende la temperatura a la que se encuentre. Particularmente importante es el caso de laviscosidad, la cual debe ser ajustada con el fin de que se pueda utilizar el material. Paraesto, existen tres métodos básicos:

CALENTAMIENTO: Consiste en calentar el asfalto hasta la temperatura a la cual

la viscosidad sea tal que se pueda manejar, de esta manera, se obtiene lo que seconoce como Cemento Asfaltico. El cemento asfaltico se utiliza en la fabricaciónde Mezclas Calientes o Tibias, en las cuales el pétreo debe estar seco y caliente(100 – 150 °C).

DILUCION: Consiste en adicionar al Cemento Asfaltico un solvente, de estamanera, se obtiene Asfalto Liquido o Fluidificado (Cut Back). Este material estáreglamentado por la velocidad de curado, siendo el más común el MC-301 (Medium Cured). Son utilizados para la aplicación de Imprimación, la cual consisteen pegar una capa granular con una capa asfáltica.

EMULSIFICACION: Consiste en mezclar el Asfalto (Medio Disperso) con Agua(Medio Dispersante) y un Emulgente o Emulsificante (otorga carga eléctricahomogénea al asfalto). Estas pueden ser Catiónicas (+) o Aniónicas (-). Sin

embargo, en Colombia solo se producen Emulsiones Catiónicas.

Se debe tener en cuenta que los pétreos se dividen en dos grandes grupos:Pétreos Calcáreos (+) y Pétreos Silíceos (-). Cuando el agua y el emulgente seseparan del asfalto por medio de la evaporación, se dice que la Emulsión rompió.En este orden de ideas, las emulsiones pueden ser de tres tipos:

o CRR: Emulsiones de Rompimiento Rápido (10 – 60 minutos). Se empleancomo Riego de Liga (para pegar una concreto asfaltico a otro tipo deconcreto)2, Tratamiento Superficial Simple (Riego de emulsión + Gravilla),Tratamiento Superficial Doble (Riego de emulsión + Gravilla Gruesa +Riego de Emulsión + Gravilla Fina) y Sellos de Arena.

1 El Asfalto Liquido en Colombia tanto de Curado Medio como Rápido para construcción ytratamiento de Pavimentos está reglamentado por la Norma NTC-1437.2 Debe tenerse en cuenta que todas las capas asfálticas deben pegarse siempre, sin importar suespesor, temperatura ni antigüedad.




8

o CRM: Emulsiones de Rompimiento Medio (1 – 24 horas). Se utilizan para la

fabricación de Mezclas Abiertas. No son utilizadas en Colombia.o CRL: Emulsiones de Rompimiento Lento (Mas de 24 horas). Se utilizan

para la fabricación de Mezclas Densas (Pétreos Nuevos) en Frio (Conpétreo húmedo y a temperatura ambiente, 40-60°C), Mezclar RecicladasDensas, Lechadas y Riegos de Imprimación3.

Ilustración 2: Guía para el uso de productos derivados del asfalto en mezclas en frio.

Existen diferentes ensayos que se han desarrollado con el fin de determinar, medir ycontrolar la Consistencia del Asfalto, entre otros, cabe destacar:

2.1.1. ENSAYO DE DUCTILIDAD:

La ductilidad del Cemento Asfaltico es un factor muy importante dentro de lacaracterización de los Asfaltos. Sin embargo, lo que se busca determinar realmente, másque el grado de ductilidad de un asfalto, es si el mismo es o no dúctil. No obstante, cabedestacar que los asfaltos que presentan elevados grados de Ductilidad, son asfaltos quepresentan una mayor susceptibilidad térmica.

Esto quiere decir que a medida que varía la temperatura, la Consistencia del mismopuede variar ampliamente. El ensayo de Ductilidad, es un ensayo de extensión practicadosobre unas probetas de cemento asfaltico bajo condiciones y medidas normalizadas. Elensayo consiste en elevar la temperatura del asfalto hasta la indicada en la norma (25°C)

y separar las dos partes de las probetas a una velocidad constante (5 cm/min), hasta queel hilo de asfalto que las une se rompa.

3 Las Lechadas y los Riegos de Imprimación no son capas estructurales por cuanto no sonsusceptibles de dimensionamiento.




9

La ductilidad del asfalto se mide como la distancia (cm) a la cual dicho hilo se rompe.

Ilustración 3: Ensayo de Ductilidad.

2.1.2. ENSAYO DE PENETRACION:

Este es el ensayo utilizado en Colombia para la clasificación de los asfaltos,presentándose dos tipos de asfaltos: Asfalto 60-70 y Asfalto 80-100. Este ensayo es detipo empírico y antiguo. En la siguiente ilustración se observa el esquema de realizaciónde este ensayo:

Ilustración 4: Ensayo de Penetración.

El ensayo consiste en calentar un recipiente que contiene Cemento Asfaltico en un bañode agua a temperatura controlada, hasta los 25°C. Una aguja de 100 g de peso escolocada sobre la superficie de la muestra de Asfalto y se suelta durante 5 segundos. La




10

penetración del Asfalto es la medida de la longitud que la aguja penetro en el asfalto

(decimas de mm).Si se varía la temperatura del ensayo, se debe variar el peso de la aguja y/o el tiempo depenetración.

2.1.3. ENSAYO DE PUNTO DE ABLANDAMIENTO O ANILLO Y BOLA P(AY B):

Este ensayo esta normalizado por las Normas AASHTO T-53 y ASTM D 95, las cualesson aplicables para asfaltos con un rango de ablandamiento de 30 a 157 °C. El equipoutilizado en este ensayo, se muestra en la siguiente ilustración:

Ilustración 5: Equipo utilizado.

Los especímenes de asfalto deben armarse dentro de 4 horas y media. El asfalto debecalentarse evitando la introducción de burbujas de aire. No se debe calentar la muestrapor más de dos horas y la temperatura no debe ser mayor de 110 °C por encima del puntode ablandamiento.

La muestra debe ser vertida en los anillos de prueba que deben ser previamentecalentados a la temperatura de vertido. Los anillos deben colocarse sobre una placa debronce previamente amalgamada con el fin de evitar la adherencia. Las muestras blandas




11

deben enfriarse a una temperatura de 10°C por debajo del punto de ablandamiento,

durante 30 minutos.Cuando las muestras estén enfriadas, se debe quitar el exceso de material de las mismas.Dependiendo del punto de reblandecimiento esperado se escoge un baño líquido y untermómetro de las siguientes combinaciones:

Punto de Reblandecimiento entre 30 y 80 °C: Agua destilada fresca y hervida ytermómetro de 15°C. La temperatura inicial del baño es de 4 – 6 °C.

Punto de Reblandecimiento entre 80 y 157 °C: Glicerina USP y termómetro de16°C. La temperatura inicial del baño es de 29 – 31 °C.

Punto de Reblandecimiento entre 30 y 110 °C: Glicol etileno y termómetro de 16°C. Temperatura inicial del baño de 4 – 6 °C.

Punto de Reblandecimiento menor a 80°C: Agua. Punto de Reblandecimiento mayor a 80°C: Glicerina.

El sistema se debe ensamblar colocando los anillos con la muestra, las guías que centranlas esferas, y el termómetro en posición y se llena el baño a una profundidad de 102 – 108 mm. Por medio de las pinzas, se colocan las dos esferas en el fondo del baño, de talmanera que adquieran la misma temperatura de inicio que el resto del ensamblaje,durante un periodo de 15 minutos.

Todo el conjunto del baño debe colocarse, en agua con hielo o calentarse muysuavemente, hasta alcanzar y mantener durante 15 minutos la temperatura de iniciaciónapropiada. Con ayuda de las pinzas, se coloca cada una de las esferas en cada una de

las guías de centrado.El baño se calienta e incrementa la temperatura uniformemente a razón de 5 °C/min. Paracada anillo y esfera, se registra la temperatura indicada por el termómetro en el momentoen que la esfera rodeada de asfalto toca la placa de soporte. Si la diferencia entre las dostemperaturas es mayor a 1 °C, se debe repetir la prueba.

Para el caso del asfalto, el punto de ablandamiento se calcula de la siguiente manera:

2.1.4. ENSAYO DE VISCOSIDAD:

La viscosidad es la relación entre esfuerzos de corte y velocidad de deformación. Laviscosidad del asfalto se puede determinar por medio de dos ensayos:




12

VISCOSIDAD DEL ASFALTO MEDIANTE VISCOSIMETROS CAPILARES DE VACÍO

El objetivo de este ensayo consiste en determinar la viscosidad4 del asfalto, empleandoviscosímetros capilares de vacío a una temperatura de 60 °C. Este método es aplicablepara materiales con viscosidades entre 0,036 y 200.000 Poises. La utilidad de esteensayo radica en que la viscosidad a 60 °C permite caracterizar el comportamiento delflujo y se utiliza en requerimientos específicos de asfaltos líquidos y de cementosasfalticos.

El ensayo mide el tiempo que tarda el asfalto en llegar de un punto a otro, posteriormente,este tiempo se multiplica por el factor de calibración del viscosímetro (depende de lasunidades en que se quiera obtener) y se obtiene la viscosidad del material.

VISCOSIDAD DEL ASFALTO EMPLEANDO EL VISCOSIMETRO ROTACIONAL

Este ensayo busca medir la viscosidad aparente del asfalto a temperaturas elevadas,entre 60 y 200 °C, utilizando un viscosímetro rotacional equipado con un sistematermosel. El método se emplea para medir la viscosidad del asfalto a determinadatemperatura.

Una pequeña cantidad de muestra de asfalto es colocada en un recipiente especial quees controlado termostáticamente. Se aplica un torque sobre un vástago cilíndricosumergido en la muestra y se mide la magnitud necesaria para que gire a una velocidadde rotación constante, bajo una temperatura específica, obteniéndose la viscosidad enPascales por segundo.

Este método de medición de viscosidad se emplea principalmente para determinar lamanejabilidad y facilidad de bombeo en las refinerías, terminales o plantas asfálticas.

Adicionalmente, los valores medidos por este método permiten la construcción de graficasde viscosidad contra temperaturas que se pueden emplear durante el diseño yconstrucción de las mezclas asfálticas en caliente.

La viscosidad se obtiene como el promedio de tres mediciones realizadas. Si el reportedel viscosímetro se da en centipoises, se multiplica por 0,001 y se obtiene en Pascalespor Segundo.

4 Viscosidad: Relación entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de corte. Mide laresistencia del líquido a fluir. Se mide en Pascalsegundos o en Poises.




13

2.2. PUREZA

La pureza hace referencia al control de la calidad del asfalto en el sentido de lahomogeneidad del mismo y a que esté libre de impurezas o contaminantes que puedanalterar su composición y por tanto sus propiedades físicas, químicas y/o reológicas.

2.2.1. SOLUBILIDAD

Este ensayo permite medir la pureza del cemento asfaltico. El ensayo se basa en que laparte soluble en disulfuro de carbono de la muestra representa los constituyentes propiosde las características de cementación del asfalto. Por otro lado, la materia inerte, tal comosales, carbón libre o contaminantes inorgánicos, no son solubles.

No obstante, por razones de seguridad, no se emplea disulfuro de carbono sinotricloroetileno. Para determinar la solubilidad de la muestra, se disuelven 2 gr de asfaltoen 100 ml de solvente y la solución se filtra a través de una plancha de asbesto colocadaen un crisol de porcelana.

Se pesa el material retenido y se expresa como porcentaje del peso inicial, obteniéndoseuna medida de la cantidad de impurezas presentes.

2.2.2. OLIENSIS

Este ensayo, también conocido como Ensayo de la Mancha, pretende determinar lahomogeneidad del asfalto. El ensayo consiste en mezclar asfalto con un disolvente (antes

se utilizaba nafta pero ahora se emplea heptano/xileno) y determinar la forma de lamancha de una gota de asfalto dentro de este solvente en un papel de filtro.

2.3. SEGURIDAD

Tiene que ver con el control realizado al asfalto principalmente durante la producción delas mezclas, con el fin de evitar riesgos de incendios que se pueden llegar a producir acausa de un excesivo calentamiento del mismo.

2.3.1. ENSAYO DE PUNTO DE CHISPA

Este ensayo, también conocido como punto de inflamación, determina la temperatura a la

cual se puede calentar el asfalto sin peligro de que se inflame en presencia de llama libre.Esta temperatura es mucho inferior a aquella en la que el material se inflama libremente,conocido como punto de fuego.




14

El punto de chispa se mide mediante la Copa Abierta de Cleveland. La copa se llena

parcialmente con el material y se calienta a una velocidad establecida. Sobre la copa sehace pasar una llama periódicamente y se define como punto de chispa a la temperaturaen la cual se han desprendido los suficientes vapores como para producir una llamaradarepentina.

2.4. DURABILIDAD

La durabilidad del asfalto tiene que ver con los cambios que experimenta el mismodurante el tiempo de uso. Para estudiar este aspecto de los cementos asfalticos, seemplean principalmente dos ensayos:

2.4.1. HORNO DE PELÍCULA DELGADA, TFOT (THIN FILM OVEN TEST)

Este ensayo simula las condiciones de endurecimiento (envejecimiento) a las cuales sesomete el asfalto durante la operación normal de las plantas de producción. Estáreglamentado por la Norma ASTM D 1754. Para el ensayo, se debe utilizar un Horno decorriente de aire forzado (163 °C) y un Estante Rotativo.

Se debe fabricar una muestra de asfalto en forma de película de 3,2 mm y debe sercalentada en platillos metálicos. El ensayo se realiza durante 5 horas. Se determina lapérdida de masa (%). Posteriormente, se mide la viscosidad o la penetración y secompara con la original.

Ilustración 6: Equipo para el ensayo de envejecimiento en Horno de Película Delgada.




15

Ilustración 7: Horno de Película Delgada.

2.4.2. HORNO ROTATORIO DE PELÍCULA DELGADA, RTFOT (ROLLINGTHIN FILM OVEN TEST)

El propósito de este ensayo es simular las condiciones de envejecimiento que sufre elasfalto durante la producción de la mezcla en una asfalta operando en condicionesnormales. Está reglamentado por la Norma ASTM D 2878. Durante el ensayo se empleaun Horno de corriente de aire forzada (163 °C), un Carrusel vertical que rota a una tasapre-determinada, un Chorro de aire (Caudal de 4.000 ml/min).

La muestra de asfalto a ensayar se moldea en forma de película delgada móvil ubicada enuna botella de vidrio. El ensayo dura 75 minutos. Se determina la pérdida de masa (%) y

se mide la viscosidad o penetración de la muestra después del ensayo, comparándola conlas condiciones iniciales.




16

Ilustración 8: Esquema del ensayo de horno rotatorio de película delgada.

Ilustración 9: Horno rotatorio de película delgada.

Ilustración 10: Botellas antes y después del ensayo.




17

2.4.3. MÉTODO UCL

El método UCL es un método de ensayo relativamente nuevo que ha generado buenosresultados y que resulta muy sencillo de realizar con el fin de valorar la adhesividad delagregado pétreo con el asfalto. En este método se valora la adhesividad y la cohesión apartir del estudio de la resistencia a la abrasión de una mezcla asfáltica concaracterísticas distintas, variándose la temperatura de ensayo de las probetas.

El ensayo consiste en someter una probeta tipo Marshall sin finos, con 4,5% de contenidode asfalto a un ensayo de desgaste en la Maquina de Los Ángeles sin esferas. Durante elensayo, se pierden por impacto y abrasión los agregados superficiales, midiéndosedespués de 300 revoluciones el peso de la probeta y estableciéndose la perdida deagregados en %, con relación al peso inicial de la probeta.

El método busca simular en la máquina de los ángeles, el desgaste que sufre la mezclaasfáltica durante la operación del pavimento bajo las cargas de los vehículos. Dentro de laMaquina, la energía generada es absorbida en parte por la componente elástica delmaterial, mientras que otra parte es eliminada por la componente plástica del mismo y larestante es la que causa la fisuración y desprendimiento del material.




18

Ilustración 11: Maquina de los Ángeles y Probetas ensayadas.

2.5. OTROS PARAMETROSOtros parámetros que deben tenerse en cuenta durante el análisis de los asfaltos, son:

2.5.1. DENSIDAD

La densidad del asfalto se obtiene mediante el uso del picnómetro. Para esto, se calientauna muestra de asfalto a 60 °C, posteriormente se vierte el asfalto hasta el nivel indicadoen el picnómetro y se pesa, conociendo el peso del picnómetro vacío, se puede hallar elpeso de la muestra dentro de este y con el volumen del picnómetro, se obtiene ladensidad del asfalto como:




19

2.5.2. PUNTO DE FRAGILIDAD

El punto de fragilidad es la temperatura a la cual el asfalto deja de ser plástico paraconvertirse en un cuerpo frágil. Se conoce también como Punto de Fraass. Consiste ensometer una película de asfalto a ciclos sucesivos de flexión a temperaturas decrecientes,de tal manera que se obtenga la temperatura a la cual, debido a la consistencia adquiridapor el asfalto, se presenta la primera fisura o rotura en la superficie de la película.

2.6. ENSAYOS ESPECIALES

Los ensayos especiales más comunes realizados a muestras asfálticas son los de Análisis Químico, dentro de los cuales se destacan el ensayo SARA y el ensayoROSTLER. El Análisis Químico del asfalto se basa en la hipótesis de que el mismo es

parcialmente soluble en materiales orgánicos no polares5

.

Adicionalmente, el asfalto es completamente soluble en Cl2CH4, CS2, Cl3, C2H6 y Cl4C.Orgánicamente, el asfalto está compuesto de Maltenos o Petrolenos y Asfaltenos. Desdeel punto de vista inorgánico, el asfalto se compone de:

Azufre: Sirve como vulcanizador del asfalto, creando estructuras de mayortamaño, disminuyendo la susceptibilidad térmica.

Nitrógeno: Actúa sobre las resinas del asfalto, mejorando la adherencia. Oxigeno: Es el responsable del envejecimiento del asfalto. Vanadio: Es un catalizador del Oxígeno. Sales.

Químicamente existen dos enfoques de análisis del asfalto:

ENFOQUE MICROESTRUCTURAL DEL SHRP (1986)

El SHRP es el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras de Estados Unidos,México y Canadá. Este modelo no está totalmente aceptado actualmente debido a que noexplica las transformaciones del asfalto. Básicamente afirma que el asfalto estácompuesto por estructuras erráticas grandes conocidas como Asfaltenos, cubiertas porMaltenos.

Esto quiere decir que el asfalto tiene una estructura fibrilar de asfaltenos que dan la

resistencia del asfalto, envueltos en unos aceites que se encargan de dar la flexibilidad almaterial.

5 Son aquellos que tienen de 5 a 7 carbonos, las acetonas y los toluenos.




20

ENFOQUE COLOIDAL DE PFEIFFER

Ilustración 12: Enfoque Coloidal de Pfeiffer.

Este enfoque es el más aceptado y afirma que el asfalto está compuesto por Miscelas de Asfaltenos envueltos por Resinas flotando en Aceites Saturados y Aromáticos.

2.6.1. ENSAYO SARA6

Este ensayo es el más utilizado para el Análisis Químico del Asfalto. Mediante este, sedescompone el asfalto en sus 4 componentes principales, obteniéndose:

SATURADOS: Tienen peso molecular cercano a 800 UMA. Son aceites traslucidose incoloros, livianos, químicamente estables, suaves al tacto.

AROMÁTICOS: Tienen peso molecular cercano a 1.100 UMA. Junto con losSaturados, representan entre el 40 y el 45% del asfalto. Presentan estructuras

bencénicas de color amarillo traslucido. RESINAS: Tienen peso molecular cercano a 2.000 UMA. Representan entre el 20

y el 30% del asfalto. Son materiales mucho más oscuros, de color café espeso(similar al de la grasa automotriz).

ASFALTENOS: Tienen peso molecular entre 3.000 y 10.000 UMA. Representanentre el 15 y el 20% del asfalto. Es la única parte solida del asfalto, parececarboncillo.

Los Saturados y los Aromáticos son los responsables de la ductilidad del asfalto y de laprotección de las Resinas y de los Asfaltenos mediante la resistencia al calor. LasResinas por su parte son las responsables de la separación de los Asfaltenos y suconsiguiente protección (evitando la peptizacion), evitando el endurecimiento.

Adicionalmente, las Resinas son las responsables de la adherencia con los pétreos.Finalmente, los Asfaltenos son los responsables de la adherencia con los pétreos y de la

6 S: Saturados. A: Aromáticos. R: Resinas. A: Asfaltenos




21

transmisión de las cargas dentro de las mezclas. Como resultado del Análisis SARA, es

posible definir el Estado Coloidal del Asfalto.Existen tres estados coloidales:

SOL: En este caso, la fase dispersa es muy pequeña con relación a la fasedispersante, en el asfalto, se encuentran muchos aceites lo cual lo hace blandito.

SOL-GEL: Esta es la situación intermedia entre el estado SOL y el estado GEL. Esla condición ideal para el asfalto.

GEL: En este caso, la fase dispersa es muy grande con relación a la fasedispersante, es el estado característico de los Asfaltos Envejecidos y por lo tanto,Duros.

Para definir el estado coloidal de un asfalto, se emplean los Índices Coloidales. Existenvarios Índices Coloidales, tales como:

Sin embargo, en Ingeniería de Pavimentos, los que más se emplean son los siguientes:

Índice de Estabilidad Coloidal (Si IC<0,6→SOL; Si IC>0,8→GEL):

Índice de Solubilidad (Si IC<4→GEL; Si IC>9→SOL):

Una vez conocido el Estado Coloidal, es posible predecir el desempeño reológico delasfalto. El Análisis SARA se emplea principalmente para la evaluación de un asfalto enservicio, de tal manera que al comparar los resultados con un estándar, se puede obteneruna idea del envejecimiento que se presenta en el mismo.

El procedimiento básico consiste en obtener una muestra del asfalto, disolverlo, destilarloy posteriormente aplicar el Análisis propiamente dicho.




22

2.6.2. ENSAYO ROSTLER

Para este ensayo, se utiliza el Pentano para separar el asfalto en asfaltenos y solución.Posteriormente, la solución es separada mediante la variación de la concentración deácido sulfúrico en:

Bases nitrogenadas. 1° ácidos finos. 2° ácidos finos. Parafinas

Está regulado por la Norma ASTM D2006.

Ilustración 13: Fraccionamiento Rostler – Sternberg.

Mediante este ensayo, se obtienen los siguientes índices:

Relación de Reactividad Química (debe estar entre 0,4 y 1,5):

Índice de estabilidad coloidal (debe ser menor a 1,0):

Compatibilidad Química (debe ser menor de 0,5):




23




24

3. REOLOGIA DEL ASFALTO

La Reología es la disciplina que estudia la respuesta del material frente a las distintassolicitaciones, es decir que estudia los Fenómenos de Fluencia. Este estudio se hacemediante lo que se conoce como Ecuaciones Constitutivas. Se estudia básicamente conel fin de conocer el comportamiento tenso-deformacional del material.

Se tiene establecido que el comportamiento de un material es una función del tiempo deaplicación de las cargas, la magnitud de las mismas y la frecuencia de aplicación. Desdeel punto de vista del tiempo, el asfalto se comporta Elástico a bajos tiempos de aplicacióny Viscoso a altos tiempos de aplicación.

Por otro lado, en el caso de las temperaturas, el asfalto se comporta Elástico a

temperaturas bajas y Viscoso a altas temperaturas. La Reología del asfalto se estudiaprincipalmente mediante el uso del Reómetro de Corte Directo (DSR) y del ViscosímetroRotacional.

El asfalto tiene una componente Viscosa y una Componente Elástica que definen sucomportamiento reológico, a partir del Angulo de Fase. Así las cosas, teóricamente setendrían tres tipos de materiales:

Material Perfectamente Elástico: Se da cuando el Angulo de Fase es igual a 0°, locual quiere decir que la Deformación Máxima se da cuando la Densidad es laMáxima.

Material Perfectamente Viscoso: Se da cuando el Angulo de Fase es igual a 90°, lo

cual quiere decir que cuando la densidad es máxima, el Esfuerzo Cortante es nulo,mientras que el Esfuerzo Cortante Máximo se obtiene cuando la densidad es nula. Material Visco-Elástico: Este es el estado real del asfalto. Se da cuando el Angulo

de Fase está entre 0 y 90°. En este caso, tanto cuando la densidad es máximacomo cuando es nula, se pueden obtener Esfuerzos Cortantes mayores que ceropero menores que el Máximo.

En su estado original, el asfalto es un material Dúctil7. La deformación de rotura del asfaltose calcula como:

Cuando el asfalto se envejece, se endurece y se vuelve frágil8

. Hablando de laparticipación de las dos componentes de la deformación, se tiene que en el caso de la

7 Quiere decir que rompe con grandes deformaciones.8 Quiere decir que rompe con pocas deformaciones.




25

deformación plástica, esta participa en una menor proporción en el asfalto envejecido que

en el original, mientras que la elástica participa en una mayor proporción en el asfaltoenvejecido que en el original.

Ilustración 14: Componentes Viscoelasticas del Asfalto.

Los parámetros que definen el comportamiento reológico del asfalto son:

ω: Frecuencia. T: Temperatura. G*: Modulo Complejo: También conocido como Modulo Visco-Elástico. Se

define como la cantidad de energía por volumen que se debe dar para logrardeformaciones unitarias.

G’: Modulo Elástico. G’’: Modulo Viscoso. ρ: Angulo de Fase. Desde el punto de vista del estado coloidal, a medida que

el asfalto se acerca al estado SOL, el Angulo de Fase sube, mientras que amedida que el asfalto se acerca al estado GEL, el Angulo de Fase disminuye.

Del análisis de estos parámetros, se derivan las siguientes propiedades:

RESPUESTA ELASTICA

Se obtiene a partir del estudio de la Frecuencia Vs el Modulo Complejo o el Angulo deFase. En este caso, se tiene que si la Frecuencia aumenta, el Angulo de Fase disminuye




26

ya que el tiempo de aplicación de las cargas es menor y por tanto actual la Componente

Elástica.RESISTENCIA A FATIGA

Se obtiene a partir del análisis del Módulo Complejo Vs el Angulo de Fase. En este caso,se tiene que a mayor Angulo de Fase, el Material tiene mayor Resistencia a la Fatiga, yaque actúa la componente viscosa. Por otro lado, a mayor Modulo Complejo, el Materialtiene una menor Resistencia a la Fatiga, ya que el material se ha endurecido más.

RESISTENCIA A LA DEFORMACIÓN PERMANENTE

Se obtiene a partir del análisis de la Temperatura Vs el Modulo Complejo y el Angulo deFase. En este caso, se obtiene que a Mayores temperaturas, y por tanto a mayor Angulode Fase, se presentara una menor Resistencia a la deformación permanente, ya que lacomponente elástica del material actúa en menor proporción.

Por otro lado, a mayor Modulo Complejo, el material será más duro y por tanto, laResistencia a la Deformación Permanente, será mayor.

SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA

Es la razón entre el Modulo Elástico a 25°C y el Modulo Elástico a 60°C, la cual debe sermayor a 1. Se define como la propiedad que tiene el asfalto de tener grandes cambios deconsistencia con la variación de la temperatura. Se puede disminuir con la incorporaciónde Azufre.

La susceptibilidad térmica puede determinarse mediante dos métodos:

Índice de Penetración: Debe estar entre -1 y +1 o entre -1,5 y +1,5. Si el índice esmenor que -1, el asfalto corre riesgos de sufrir mayores daños durante los cambiosde temperatura (estado SOL), por otro lado, si el Índice es mayor que +1, el asfaltoes quebradizo, duro, con baja susceptibilidad térmica (estado GEL).

Evaluación con el Reómetro de Corte Directo.

VARIACION DE LA ELASTICIDAD

Es la razón entre el Modulo Elástico del Asfalto Original y el Modulo Elástico del Asfalto

Modificado. Debe ser menor a 1.

Existen dos técnicas de Evaluación Reológica, a saber:

Ensayos Físicos.




27

Correlaciones Químicas.




28

4. ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO

El envejecimiento del asfalto se define como la perdida de la capacidad del ligante. Así lascosas, un asfalto original debe fallar por deformación, mientras que el asfalto envejecidofalla por fatiga. El envejecimiento es un proceso de múltiples orígenes y deformaciones,destacándose:

OXIDACION

Es la presencia de carboxilos, carbonilos y sulfoxidos por la introducción de moléculas deoxígeno en el asfalto. Ocurre cuando la mezcla está caliente y suelta (como durante eltransporte en la volqueta). Para disminuirla, se debe mantener la mezcla en ambienteslibres de oxigeno (como silos de nitrógeno), reducir los tiempos en que la mezcla esta

suelta en las volquetas y no permitir la instalación de mezclas de un día para el otro9

.

No obstante, la temperatura no es un criterio de aceptación o rechazo de la mezcla.Cuando esta se extiende y se compacta, la oxidación disminuye.

POLIMERIZACION

Es la formación de moléculas más grandes, poliméricas, conformando estructuras másrígidas, lo cual representa un asfalto más duro.

VOLATILIZACION

La volatilización se mide mediante el ensayo de punto de chispa. Lo que se volatiliza sonlos aceites aromáticos, causando de esta manera un endurecimiento de la mezcla. Estefenómeno se puede reducir disminuyendo al mínimo el calentamiento de la mezcla.

TIXOTROPIA

Es una polimerización reversible, ocurre cuando la mezcla se instala y no se somete atráfico.

SINERESIS

Es la separación de fases del asfalto de tal manera que los aceites quedan separados delas Miscelas y durante el tráfico se pierden dichos aceites.

SEPARACION

9 Esto no se debe permitir por norma, ya que el envejecimiento de una mezcla en estascondiciones será mayor y por lo tanto, se presentara una fatiga temprana.




29

Se da cuando se introduce el pétreo en el asfalto y por los poros de los pétreos, se

absorben los aceites, quedando un asfalto efectivo envejecido.La Oxidación, la Polimerización, la Volatilización y la Separación, son procesos deenvejecimiento que se dan en presencia de calor, esto quiere decir que las Mezclas Fríasno presentan ninguno de estos problemas. La durabilidad del asfalto, se puedeincrementar mediante dos acciones básicas:

Mantener las temperaturas al mínimo en todas las etapas. Disminuir al mínimo el tiempo que dura la mezcla asfáltica suelta.

El envejecimiento se puede acelerar o retrasar dependiendo de los siguientes factores:

Espesor de la interface (Película de cubrimiento). Control de temperaturas. Tipo de mezcla. Clase de Ligante. Condiciones ambientales. Procesos constructivos.

Las patologías asociadas al Envejecimiento del Asfalto son:

Rigidización del material. Fisuración y pérdida de áridos.




30

5. FENOMENO DE LA FATIGA

La fatiga es el proceso de deterioro gradual en un material causado por la repetición decargas, siempre y cuando estas sean muy pequeñas en comparación con la carga derotura del material. Esto quiere decir que es un Fenómeno Dinámico.

apuntes asfaltos y mezclas asfÁlticas

Documents