ingeniería civil tecnología de los materialesestos asfaltos no pueden utilizarse directamente,...

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Tecnología de los materiales

Universidad Tecnológica Nacional

Promoción Directa

Facultad Regional Avellaneda

Ingeniería CivilTecnología de losmateriales

Módulo XIVAsfaltos

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Decano F.R.A.Ing. Jorge O. Del Gener

Coordinador de Promoción DirectaIng. Luis Muraca

AutorIng. Juan Francisco García Balado

Realizado por

Coordinador Facultad Abierta Avellaneda on-lineAlejandro González

Corrección de estilos y redacciónProf. Ricardo Krotki

DiseñoProf. Ricardo KrotkiDG. Mariana WolffProf. Alcira Virgili

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Módulo 14

Asfaltos

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INDICE

Módulo XIV: ASFALTOS

Asfaltos

IntroducciónDefiniciónComposiciónCementos asfálticosTipos de asfaltosAsfaltos modificadosTechados asfáticos

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ASFALTOS

Introducción

El asfalto es un material ligante e hidrófugo por excelencia, muy usado en la construcción de pavimentos, así como en techados y diversas ramas de la industria, siendo uno de los materiales que se emplea desde la antigüedad, existiendo referencias sobre aplicaciones del asfalto entre los años 4.000 y 3.500 A.C.

Esos usos fueron encontrados en las excavaciones arqueológicas de las primitivas civilizaciones en el valle del Río Eufrates, en la Mesopotamia, para ornamentación y como material cementante para unir diversos objetos como mango de las herramientas, las piedras preciosas en sus joyas, impermeabilizar recipientes para agua, para calafatear embarcaciones, etc. En el palacio real de Susa, en Irán, las paredes de los templos y palacios estaban construídos de ladrillos cocidos y unidos con asfalto. El asfalto se obtenía por la presencia de depósitos provenientes de escapes de petróleo.

Los egipcios lo usaron en el 3.000 A.C. para embalsamar sus momias, construir y revestir cisternas y silos, y los sirios y persas lo usaron para construir y decorar vasos y esculturas. En el 2.000 A.C. los caldeos usaban el asfalto para pegar ladrillos en muros y pavimentos.

Según consta en el Génesis se utilizó asfalto para la construcción de la torre de Babel ante el diluvio universal y Noé lo usó para la construcción de su arca para hacer estanco a su barco.

En el año 500 A.C. se usaba como material de construcción en forma de mortero para unir ladrillos de arcilla, como en el templo de Babilonia. El mortero estaba constituído por mezcla de asfalto en caliente con polvo mineral y paja, y se utilizó también como revoque.

En Nínive, Nabucodonosor hizo construir entre 667 a 647 A.C. desagües, calzadas y pilares de puentes de ladrillos cocidos y asfalto e hizo pavimentar una calle con bloques de piedra asentados en un mortero de asfalto.

Todas esas primeras aplicaciones fueron hechas con asfalto natural, producido cuando el petróleo asciende a la superficie terrestre y se evaporan los elementos volátiles. El proceso de evaporación se efectúa generalmente durante siglos y se formaron depósitos de asfaltos en forma de lago o impregnando rocas. Estos asfaltos no pueden utilizarse directamente, debido a las impurezas que contienen, por lo que deben someterse a tratamientos especiales.

Entre los yacimientos como lagos en América, los hay en Estados Unidos donde el asfalto natural se presenta casi puro, con porcentajes de betún entre 94 y 99,5%, en Bermúdez (Venezuela) con 94%, en Cuba con 75% y en la isla de Trinidad (Trinidad-Tobago) con 56%, de muy buena calidad, de donde provinieron los primeros asfaltos para nuestro país. El lago de Trinidad se formó en la boca de un volcán extinguido, habiendo sido descubierto en 1595, y posee el asfalto una densidad elevada (1,40) frente a los demás de densidad entre 1,04 a 1,17, por los procesos durante siglos bajo condiciones climáticas tropicales y al contenido de arcilla coloidal.

En la Argentina existen algunos yacimientos en Mendoza, Neuquén y Jujuy, pero no han sido objeto de explotación comercial.

Otras veces el asfalto se presenta aglomerando rocas, generalmente calcáreas o silíceas, pero el porcentaje de contenido de betún es menor, abajo de un 15%.

A partir de 1902 se comenzó a destilar petróleo, y con ello la disponibilidad de asfalto en grandes cantidades para construcción de caminos y calles. Por destilación se le extraen al petróleo los productos livianos y aceites lubricantes, obteniendose como residuo los asfaltos artificiales.

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La obtención del asfalto se efectúa destilando petróleos de base asfáltica, pues no todos los crudos son aptos o convenientes para tal fin, por ser en algunos casos de base parafínica o de bajo porcentaje de asfalto. Los que se explotan en nuestro país son los de Comodoro Rivadavia (residuo entre 35 y 38% en relación al petróleo crudo) y Plaza Huincul (residuos entre 15 a 30%). Los crudos que no son aptos (parafínicos) son los de Mendoza y Salta.

Definición

Los materiales asfálticos son los que contienen betunes, que son una mezcla de hidrocarburos que se distinguen por tener buena cohesión y poder ligante a temperatura ambiente, ser dúctiles y son solubles en sulfuro de carbono.

Los betunes se clasifican en función de su penetración en líquidos (mayor de 300), semisólidos (entre 25 a 300) y sólidos (menor de 25).

Los betunes semisólidos y sólidos pueden ser:Asfalto: a) de petróleo, obtenido por destilación b) de roca, impregnando una piedra. c) de lago, se encuentran en depósitos acompañados de relleno mineral.Brea: se obtienen de la destilación del alquitrán, que proviene del carbón fósil. Los asfaltos

son más durables que las breas.

El asfalto que se emplea en pavimentación se lo denomina cemento asfáltico con el fin de distinguirlo de aquellos que se utilizan en otros fines como cubiertas de techo, revestimiento de cañerías, etc.

El asfalto es un material viscoso de color negro o marrón oscuro, que aumenta su fluidez con la temperatura; tiene buena adherencia a la madera, las rocas y los metales; impermeable al agua; aumento rápido de la viscosidad con el enfriamiento; buena plasticidad a temperaturas mayores de 0ºC; resistente a ácidos y bases; insoluble en agua y solubles en disolventes orgánicos.

El asfalto envejece por la acción del oxígeno y la luz, perdiendo ductilidad y pasa a fragilizarse.

Composición del asfalto

Su constituyente principal es el carbono (70 a 80%) junto con el hidrógeno (2 a 9%), vinculado además con átomos de oxígeno (10 a 15%), azufre (1 a 5%), nitrógeno (0 a 2%) y otros.

La composición de un asfalto deriva del petróleo del cual se originó, es por lo tanto un hidrocarburo (conformado solo por hidrógeno y carbono), puede pertenecer a alguno de los siguientes grupos, según el porcentaje de asfalto que se obtiene de la destilación:

Alifáticos saturados: (enlace simple entre carbonos), no contienen en su estructura el grupo benceno. Pueden ser parafínicos (alcanos) o nafténicos.

Aromáticos: contienen uno o más anillos del grupo benceno.Alifáticos no saturados: (alquenos), son los que presentan doble o triple enlace entre carbono

y carbono.

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Los hidrocarburos se presentan como combinaciones de compuestos pertenecientes a dos o más de los grupos anteriores. El análisis químico del asfalto resulta por demás complejo, por la gran variedad de hidrocarburos que lo componen. Una forma de conocer las proporciones de los compuestos parafínicos, nafténicos y aromáticos, es recurriendo a la relación entre número de átomos de carbono dividido el número de átomos de hidrógeno (relación C/H).

En razón de la complejidad del análisis, se recurre a una separación con solventes selectivos, de las distintas fracciones del asfalto que poseen peso molecular y características químicas particulares, resultando así:

Carbenos: son insolubles en tetracloruro de carbono (CCl4)Asfaltenos: son solubles en CCl4 e insolubles en hidrocarburos saturados de bajo punto de

ebullición (pentano, hexano, eter de petróleo). Los asfaltenos son hidrocarburos aromáticos, de moléculas largas, y elevado peso molecular, una razón carbono/hidrógeno alrededor de 0,8 y densidad mayor de 1.

Maltenos: solubles en CCl4 y soluble en hexano, pentano, eter.A su vez los maltenos se clasifican en:

a) Resinas de petróleo: a los que son absorbidos en tierra fuller. Tienen una razón C/H entre 0,6 y 0,8 y densidad próxima a 1. Influyen en la adherencia y ductilidad del asfalto.b) Aceites: a los que no son absorbidos en tierra fuller. Tienen una razón menor que 0,6 y densidad menor que 1. Influyen en la viscosidad del asfalto.

Los maltenos junto con los asfaltenos, son los componentes principales de los cementos asfálticos

La oxidación de un asfalto produce la transformación de resinas en asfaltenos, incrementando la proporción de estos últimos, con la consecuente pérdida de ductilidad y adherencia.

Cementos asfálticos

Son los asfaltos utilizados en pavimentación, que son muy susceptibles a la variación de temperatura. Se clasifican en base a su consistencia, mediante los ensayos de penetración y viscosidad (que se ven en la Guía de Trabajos Prácticos).

A bajas temperaturas (25ºC) poseen la consistencia de un sólido con una viscosidad de 106 a 107 poises (1 poise = 1 gr/seg.cm2). Cuando se calienta a temperatura de mezclado en usina asfáltica (140-150ºC) la viscosidad es de 2 poises.

Se llama viscosidad absoluta o dinámica de un líquido newtoniano (líquido que cumple la ley de Newton como flujo lineal) a la fuerza tangencial por unidad de área, cuando entre dos placas paralelas a la unidad de distancia, es ocupado por un líquido y una de las placas se mueve con una velocidad de 1 cm/seg.

La viscosidad absoluta a 25ºC de algunas sustancias: agua = 0,01 poises aceite = 40 poisesasfalto = 10.000.000 poises.

Se llama viscosidad cinemática de un líquido newtoniano al cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad y cuya unidad es el stoke (1 stoke = cm2/seg)

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Para que el cemento asfáltico pueda cumplir su función de ligante, debe recubrir a los agregados, se lo debe elaborar a una temperatura tal (150ºC) en la que el asfalto se comporta como un líquido viscoso.

La compactación y el posterior descenso de temperatura, una vez colocada la mezcla asfáltica, hace que el asfalto vuelva a aumentar la viscosidad, lo que otorga cohesión y rigidez a la mezcla.

Para preparar la mezcla asfáltica llamada en caliente, se necesita una viscosidad baja (2 a 3 poises); por el contrario una viscosidad muy baja permite un buen recubrimiento inicial de los agregados, pero luego se producirá el escurrimiento del asfalto durante el transporte de la mezcla. Para evitarlo habrá que demorar la entrada del equipo compactador hasta que el asfalto adquiera su viscosidad óptima por descenso de la temperatura de la mezcla. El Instituto del Asfalto de EE.UU. recomienda una viscosidad de 150 a 300 centistokes durante el mezclado en obra. (1 centistoke = 0,01 stoke).

A su vez si la viscosidad del asfalto es muy alta no se logrará recubrir los agregados y durante la construcción del pavimento se tendrá una compactación defectuosa

Dos asfaltos pueden tener igual penetración pero diferente comportamiento reológico. El asfalto del yacimiento Medanito y el de Escalante tienen igual P = 89, pero el de Medanito tiene una viscosidad a 60ºC de 1700 poises (presenta un fluir casi newtoniano) mientras que el de Escalante tiene una viscosidad de 9180 poises (presenta un fluir complejo).

El amplio rango de viscosidades que abarcan los asfaltos, que van desde unos pocos poises a elevada temperatura (2 poises a 140ºC) a valores de 107 poises a 25ºC y 1010 poises a temperaturas muy bajas, hace que se deban utilizar diferentes métodos de medida para la determinación del coeficiente de viscosidad.

Los métodos pueden dividirse en:a) Absolutos: cuando la viscosidad puede ser calculada conociendo solamente las dimensiones del aparato y las fuerzas operantes. Entre los aparatos se tienen:

- Microviscosímetro de placas paralelas. Por deformación de una película de material entre dos placas paralelas.- Viscosímetro conicilíndrico rotativo. Por deformación entre dos cilindros coaxiales que rotan.- Viscosímetro capilares. Por flujo de un líquido a través de un capilar. Son los aparatos más utilizados para medir viscosidad. Los hay por aplicación de vacío (viscosidad absoluta) o por gravedad (viscosidad cinética). La viscosidad cinética permite calcular la viscosidad absoluta si se conoce la densidad del material a la misma temperatura del ensayo.

b) Secundarios: se emplean aparatos que deben ser calibrados mediante líquidos de viscosidad conocida, tales como:

- Viscosímetro Brookfield. El viscosímetro rotacional Brookfield consta de un vástago o aguja (“spindle”) que es forzado a girar en el seno del líquido en estudio. El torque y la velocidad de rotación son indicadores de la oposición del líquido a fluir bajo las considicones de ensayo y a distintas temperaturas, el equipo correlaciona estos valores y los traduce en viscosidad expresada en poises, mediante un dispositivo electrónico y un software incorporado. Ver figura A- Viscosímetros Saybolt Furol (Ver Guía de Trabajos Prácticos)

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c) Técnicos o empíricos: son métodos empíricos para determinar la consistencia o fluidez mediante ensayos rápidos y sencillos, tales como:

- Penetración- Punto de ablandamiento. Esta es una medida completamente arbitraria y no corresponde a ningún cambio físico de estado del material, pues el mismo se ablanda progresivamente a medida que aumenta la temperatura. Durante mucho tiempo se admitió que a la temperatura del punto de ablandamiento todos los asfaltos poseían igual viscosidad. En la actualidad se ha demostrado que la viscosidad de distintos asfaltos, a la temperatura del punto de ablandamiento pueden oscilar entre 8.000 y 30.000 poises.

Si bien este ensayo no es una medida correcta de la consistencia de los asfaltos, el mismo proporciona una idea de la misma y se lo utiliza además para calcular la susceptibilidad térmica de los asfaltos.

- Ensayo de Fragilidad Fraas. Define el Punto de Fragilidad, P.F., a la temperatura a la cual el asfalto se agrieta al ser solicitado en película fina. Consiste en una pequeña y delgada lámina de asfalto dispuesta sobre una chapa metálica, la cual se va flexionando a distintas temperaturas decrecientes hasta que aparece una fisura. Ver figura B.

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Este ensayo no es usado para control de recepción de asfaltos convencionales, pero tiene interés para asfaltos modificados y para productos bituminosos utilizados en edificación y obras hidráulicas, especialmente para zonas frías. Los asfaltos convencionales del tipo 70-100 fabricados en Argentina, que son los más utilizados para pavimentación, tienen un P.F. del orden de los -8ºC a -10ºC. Los asfaltos modificados llegan a tener valores de P.F. de hasta -20ºC.

Los cementos asfálticos se componen casi enteramente por betunes, ya que presentan una solubilidad superior al 99,5% en sulfuro de carbono. La parte soluble representa a los constituyentes activos de los asfaltos, mientras que el insoluble lo constituye materia mineral inerte, tales como sales, carbono libre, etc. Para determinar la pureza de los asfaltos se realizan los ensayos de solubilidad en sulfuro de carbono y en tetracloruro de carbono.

Los asfaltos cuando son sometidos a temperaturas suficientemente elevadas, desprenden vapores que se inflaman en presencia de una chispa o llama. Normalmente las temperaturas con que trabaja el asfalto en la usina durante el mezclado, son más bajas que la temperatura de inflamación de los asfaltos. Para medir esta temperatura hay un ensayo de punto de inflamación que emplea el aparato de Cleveland a vaso abierto, y que mide la temperatura cuando se produce llama en los vapores producidos por el calentamiento gradual.

La pérdida por calentamiento se utiliza para establecer la pérdida en peso de los componentes volátiles y el aumento de consistencia como consecuencia de la alteración por temperatura elevada, que se produce por un almacenaje en tanques por un tiempo prolongado, o durante la fabricación de la mezcla asfáltica. Hay dos ensayos por calentamiento de película fina, uno es colocando una película de 3 mm. de espesor sobre un plato que gira dentro de una estufa, y otro en calentar a 163ºC durante 75 minutos, una muestra de asfalto sobre un recipiente de vidrio de forma cilíndrica que gira.

La susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos utilizados en pavimentación, depende del proceso de elaboración de los asfaltos. Los asfaltos que han sido sometidos al soplado con aire (oxidación) tienen consistencias que cambian mucho menos con la temperatura, que aquellos que han sido obtenidos por refinación directa (destilación). La experiencia indica que los asfaltos soplados no han tenido buen comportamiento en las obras viales. Los asfaltos obtenidos por cracking, presentan una susceptibilidad muy grande a los cambios de temperatura, y presentan reducida durabilidad.

Para poder medir el efecto de la temperatura sobre la consistencia de los asfaltos se emplea el ensayo de Indice de Penetración, desarrollado por Pfeiffer y van Doormal, donde se grafica la penetración en función de la temperatura. La pendiente de la recta es una medida de la susceptibilidad térmica.

Diagrama de Heukelom. Considerando los estudios de Pfeiffer y Van Doormal y a partir de los ensayos de penetración y de viscosidad, Heukelom ha diseñado el nomograma BTDC (Bitumen Date Test Chart), con abscisas en escala aritmética donde se representan las temperaturas, y ordenadas con dos escalas logarítmicas donde se representan: a la izquierda, penetraciones y a la derecha, viscosidades. Realizando penetraciones o viscosidades a distintas temperaturas es posible graficar (en función del tipo de asfalto) la variación de la consistencia para cualquier rango de temperatura.

En función de la representación obtenida, Heukelom clasifica a los asfaltos en tres tipos:Tipo S : Se obtiene como representación una recta. Corresponde a betunes de destilación directa (Straight) y son los más utilizados en pavimentos.Tipo W: Dos ramas rectas sensiblemente paralelas y una zona intermedia de discontinuidad, correspondiendo esta representación a asfaltos parafínicos (Wax), la zona de transición es debido al cambio de estado de cristalización de las parafinas.

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Tipo B: La representación de estos asfaltos está formada por dos rectas que se cortan, a bajas temperaturas, la recta tiene menor pendiente que la obtenida a altas temperaturas. Los betunes tipo B corresponden a los asfaltos soplados (Blown).

Las tres representaciones pueden observarse en el nomograma de Heukelom, Figura C.

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Fig

ura

C

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Asfaltos tipo S de distintas penetraciones provenientes de un mismo crudo y con el mismo proceso de refinamiento dan rectas casi paralelas, por su parte, asfaltos de iguales penetraciones y distinto origen proporcionan rectas de distinta pendiente.

Cuando el asfalto es sometido a un proceso de envejecimiento acelerado, la recta es paralela al asfalto original (sin envejecer) pero desplazada hacia la parte superior. Figura E.

Trazando la recta con dos puntos de penetración o viscosidades (es conveniente tres para no cometer errores), se tiene la variación de la consistencia con la temperatura. Si la viscosidad de mezclado óptima se considera entre 1,5 y 2 poises se puede obtener la temperatura para esa condición, trazando una paralela a la abscisa que pase por ejemplo por el valor de 2 poises hasta cortar a la recta del asfalto en estudio y por el punto de intersección trazando una perpendicular a las abscisas, obteniéndose la temperatura de mezclado. De igual modo se puede obtener la temperatura de compactación de la mezcla pero en este caso la viscosidad se considera entre 2 y 3 poises. En el ejemplo de la Figura C, para las mezclas elaboradas con el asfalto tipo S la temperatura óptima de mezclado es de 152ºC y la de compactación, de 144ºC.

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Del mismo monograma se puede obtener el IP, Indice de Penetración. En la parte superior presenta una recta inclinada con una escala de índices de penetración que van desde -3 a +7, a una distancia prefijada se encuentra un punto de referencia indicada con un círculo con una cruz interior. Si se traza una paralela a la recta del asfalto en estudio que pase por el punto de referencia, en la intersección con la recta inclinada leeremos directamente el valor de IP. Ver figura C, que representa el IP del asfalto tipo S.

La temperatura correspondiente el Punto de Fragilidad Fraas también puede representarse en el nomograma de Heukelom, sobre la línea punteada ubicada en la parte superior del mismo.

Tipos de asfaltos

1) Asfaltos sólidos: son los residuos que se obtienen de la destilación de ciertos petróleos llamados crudos, de base asfáltica (Comodoro Rivadavia y Plaza Huincul).

Si la destilación se efectúa en forma muy intensa, se obtienen los que se denominan asfaltos duros, y en cambio, si la destilación se hace en forma menos intensa, el residuo mantiene parte de los destilados pesados y se obtiene lo que se denomina asfaltos blandos o cementos asfálticos, con uso en pavimentos.

También se obtienen asfaltos sólidos por medio de la operación de soplado, que consiste en un proceso de oxidación, sobre asfaltos de diversas penetraciones, y un tercer proceso por “cracking”, aplicando una mayor presión sobre el residuo asfáltico, para poder obtener un mayor porcentaje de destilado liviano como naftas.

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El proceso de destilación del petróleo crudo se basa en el hecho de que cada uno de los hidrocarburos tiene diferentes temperaturas de ebullición. En las refinerías se utilizan sistemas de destilación en los que el petróleo se calienta en la base de una torre. Los hidrocarburos que hierven a menor temperatura se convierten en gases antes que el resto; los vapores ascienden mientras se van enfriando y al condensarse, salen por un costado de la torre, obteniendose los hidrocarburos ligeros o livianos (nafta, kerosene, gasoil), mientras que por la salida inferior se obtienen los hidrocarburos pesados como el fuel oil.

El fuel oil pasa por un segundo proceso parecido de refinación donde en vez de torre de topping hay torre de vacío, y del cual se obtienen los aceites y el asfalto como residuo final.

El residuo asfáltico es sometido a distintos procesos, de acuerdo al tipo de asfalto que se desea obtener. Por ejemplo, Y.P.F. elabora distintos tipos de asfaltos sólidos con las denominaciones: Asfasol, Bitalco, Challaco, Briquefal. A su vez hay distintos tipos de Asfasol, que se ordenan por letras según la penetración del asfalto. El asfasol A es el de mayor penetración (150-200), es decir el más blando o menos consistente, mientras que el Z con penetración (5-10) es el más duro.

Los cementos asfálticos son productos bituminosos sólidos a temperatura ambiente, de diferente grado de penetración y punto de ablandamiento, que para su transporte a granel se requieren camiones provistos de aislación térmica y calefaccionados. El más empleado como cemento asfáltico en pavimentos para zonas templadas es el Bitalco (70-100) de penetración.

Otras aplicaciones frecuentes de cementos asfálticos son en impregnación de chapas y fieltros asfálticos para techos (Asfasol A), juntas de cañerías, tomado de juntas en pavimentos de hormigón (Asfasol G), de bloques articulados. de granito, y juntas selladoras en muros (Asfasol F).

Para el sellado de juntas en pavimentos de hormigón el material asfáltico debe tener buena adherencia, adecuada consistencia y susceptibilidad térmica y óptima resistencia. El material asfáltico puede ser fillerizado o no fillerizado. El fillerizado consiste en incorporar polvo mineral, tanto sean silíceos, calcáreos, amiantos, etc., con una correcta elección de su granulometría.

Los asfaltos industriales son para uso industrial y son asfaltos oxidados, que se caracterizan por su dureza y baja susceptibilidad térmica (Asfasol K) cuya penetración a 25ºC es de 10-20, la ductilidad a 25ºC de 2 cm y el punto de ablandamiento de 90-100, y cuyas aplicaciones más frecuentes son: como masa aislante dieléctrica, adherente de materiales aislantes, fijación de pisos de parquet y en juntas de cañerías.

Los esmaltes asfálticos son asfaltos oxidados con agregado de carga mineral, de alto punto de ablandamiento, que provee protección mecánica y contra la corrosión, cuya penetración a 25ºC es de 3-9, punto de ablandamiento de 113-123 y peso específico de 1,18-1,22, que se utilizan fundamentalmente en revestimientos de protección de cañerías metálicas (gasoductos, oleoductos, etc) o estructuras similares subterráneas.

El límite adoptado para poder denominar a los asfaltos como sólidos ha sido fijado en forma convencional entre los valores de 0 a 200 del ensayo de penetración a 25ºC.

Para que un asfalto sólido pueda cumplir su función de ligante en mezclas asfálticas, debe recubrir las partículas de agregados, lo que se logra elaborando las mezclas a una temperatura de mezclado de 140 a 150ºC en las plantas llamadas usinas asfálticas, en donde el asfalto se comporta como un líquido viscoso a esa temperatura y recubre los agregados.

Existen otras formas de lograr la viscosidad requerida para el mezclado, y también para facilitar su transporte y manipuleo en forma líquida, sin elevar la temperatura

del asfalto. Ellos son los que permiten elaborar las mezclas en frío, pudiendo ser con asfaltos diluídos y con emulsiones.

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2) Asfaltos diluídos: Por solubilización del asfalto con solventes adecuados, que dan productos de baja viscosidad a temperatura ambiente. Una vez elaborada y colocada la mezcla, el solvente se evapora y el asfalto residual aumenta su consistencia y desarrolla cohesión la mezcla, ligando a los agregados pétreos y dando rigidez a la mezcla.

De acuerdo al tipo y cantidad de solvente se obtienen asfaltos diluídos de diferente viscosidad y velocidad de curado (evaporación de solvente). Existen tres tipos:

a) De curado rápido (RC) o (ER) donde el solvente es nafta y la penetración a 25ºC es de 80 a 120. Los requisitos a cumplir están dados por la norma IRAM 6608, en la que se clasifican de 0 a 4, correspondiendo a números mayores cuanto más porcentaje de asfalto tenga y en consecuencia menor de solvente. Los asfaltos ER se utilizan para mezclas en planta, riegos para tratamientos superficiales, sellados de superficie y estabilización de suelos arenosos, reparaciones y mejoras de caminos, juntas horizontales en muros, techados asfálticos y para pisos de parquet. Tienen un período de 24 a 72 horas de endurecimiento.b) De curado medio (MC) o (EM) donde el solvente es kerosene y la penetración a 25ºC es de 120 a 150. Los requisitos a cumplir están dados por la norma IRAM 6610 y se clasifican de 0 a 3. Los asfaltos EM se utilizan para imprimación de bases de caminos. Tiene mayor tiempo de curado, lo que posibilita que el asfalto penetre en los poros de la base y luego actúe como adhesivo entre la base y la carpeta de rodamiento. c) De curado lento (SC) o (EL) donde el solvente es gasoil y la penetración a 50ºC es de 20 a 110. Los requisitos a cumplir están dados por la norma IRAM 6612 y se clasifican de 1 a 3.

Los asfaltos EM se aplican a tratamientos de fijación de polvos, para lo cual se requiere que permanezcan con viscosidad de líquido durante un período extenso.

El uso de asfaltos diluídos en pavimentos tiene el inconveniente de evaporar a la atmósfera solventes derivados del petróleo lo que produce polución ambiental, por lo que este tipo de asfalto tiende a dejar de ser aplicado.

Otro empleo de asfaltos diluídos es como pintura asfáltica, diluída con solvente, que se aplica en frío con pincel o soplete de secado rápido, de inmejorable adherencia. Entre estos productos se encuentran:

- La pintura “A” preserva contra la corrosión a las estructuras metálicas, subterráneas o a la intemperie y debe cumplir con las especificaciones de la norma IRAM 6646 y por las de Gas del Estado, en la construcción y reparación de gasoductos o redes de distribución de gas natural.- La pintura “P” es para impermeabilización de losas de hormigón y para proteger partes enterradas de maderas y postes contra la humedad y preservación de metales contra la oxidación.

3) Emulsiones asfálticas: Es una dispersión de partículas de un asfalto puro (fase dispersa) en proporción de 50-65% del total y en forma de pequeños glóbulos microscópicos con radios de 0,0001-0,00001 mm., en otro líquido como el agua (fase dispersante) en 35 a 50%. Así un asfalto de elevada viscosidad puede utilizarse en frío como si fuera un líquido, presentando ventajas con respecto a los asfaltos diluídos tal como que no requieren el secado previo de los agregados y no producen contaminación ambiental.

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Las emulsiones se fabrican mediante molinos coloidales en los cuales se produce la dispersión de pequeñas gotas de asfalto. Para que la dispersión sea estable y no coagule se agregan agentes químicos llamados emulsivos, que oscilan entre 0,5 y 2%, constituídos por moléculas que contienen un grupo polar hidrófobo (ácido graso) que es cuando la fase dispersa atrae a la dispersante y un grupo polar hidrófilo (R-COO- o R-NH3

+) que es cuando la fase dispersa repele a la dispersante.

El emulsivo que se agrega al agua se fija a la partícula de asfalto, que queda eléctricamente cargada. Si la carga eléctrica es positiva la emulsión se llama catiónica (ejemplo es agregar en agua R-NH3 + HCl) y si la carga eléctrica es negativa la emulsión se llama aniónica (ejemplo es agregar en agua R-COOH + NaOH).

Las emulsiones aniónicas tienen como emulsionantes a jabones, oleatos o resinas de sosa y potasa, con lo que los glóbulos de asfalto llevan carga eléctrica negativa, por lo que la adherencia con los agregados no es tan efectiva, ya que la mayoría de ellos tienen cargas electronegativas. Por ello tienen muy poca demanda y casi no se fabrican.

Las emulsiones catiónicas tienen como emulsionantes sales de diaminas, grasas y cuaternarias de amonio, que producen sobre la superficie del glóbulo de asfalto una carga electrica positiva, con lo que tienen gran afinidad con casi todos los agregados pétreos que se hallan cargados negativamente.

La diferencia de carga eléctrica entre la partícula de asfalto emulsionado y el agregado facilita la adhesión entre ambos, desalojando a la capa de agua adsorbida sobre el agregado. Para que el asfalto contenido en la emulsión pueda desarrollar sus propiedades ligantes y confiera a la mezcla la rigidez de un sólido, debe eliminar el agua. Ello se produce durante un proceso que se denomina rotura de la emulsión, que se produce por evaporación del agua. Al desaparecer el agua, el cemento asfáltico original envuelve a las partículas de agregado, constituyendo un conjunto cohesivo y rígido.

Según la velocidad de rotura de la emulsión, se clasifican en:Emulsiones de rotura rápida (EBCR o RRC). Se utilizan en tratamientos superficiales o riegos de sellado. Los requisitos a cumplir están dados por la norma IRAM 6691, aprobada en 1985, y se clasifican en 0 y 1, y se diferencian en la penetración del asfalto base. La RRC-0 tiene asfalto 70-100 y se destina a obras en la región norte del país, mientras que la RRC-1 tiene P = 100-200 y se utiliza para el centro y el sur.Emulsiones de rotura media (EBCM o RMC). Se utilizan en mezclas abiertas o intermedias. No están normalizadas oficialmente y solo hay RMC-1.Emulsiones de rotura lenta (EBCL o RLC). Se utilizan en mezclas densas o lechadas asfálticas. Existen tres tipos:

a) RLC-1 que se denomina superestable, especialmente adecuada para construcciones viales en clima templado o cálido (temperaturas superiores a 20ºC). Los requisitos a cumplir están dados en la norma IRAM 6691.b) de curado rápido, desarrollada para trabajos en época de frío (5-20ºC) o en casos donde exista urgencia en la habilitación al tránsito, reduciendo el trabajo de compactación con el rodillo neumático. No están normalizadas. c) especial para estabilizaciones de suelos, empleando una proporción de agua de prehumectación notablemente inferior a la requerida por las otras emulsiones lentas tradicionales.

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Las emulsiones asfálticas pueden ser aplicadas sin calentamiento previo a temperatura ambiente, aunque es conveniente calentarlas cuando la temperatura es inferior a 10ºC.

Tanto con los asfaltos diluídos como con las emulsiones se pueden preparar las mezclas asfálticas denominadas en frío, que no necesitan de una planta o usina asfáltica donde se elaboran las mezclas asfálticas en caliente, pero los pavimentos que se obtienen en frío son de inferior calidad que los de usina asfáltica en caliente.

Asfaltos modificados

Los asfaltos se caracterizan por variar su comportamiento según la temperatura a la que se encuentran, por ello poseen distintas consistencias, propiedad que se denomina susceptibilidad térmica. Lo ideal es aquel que mantiente su consistencia en un amplio intérvalo de temperatura. La acción de los modificadores es colaborar para que el asfalto presente las menores variaciones de consistencia ante cambios de temperatura.

Con el agente modificador se logra disminuir la susceptibilidad térmica, aumentar la cohesión interna, mejorar la elasticidad y flexibilidad a bajas temperaturas, mejorar el comportamiento a fatiga y aumentar la resistencia al envejecimiento

La utilización de rellenos minerales como el filler reduce las deformaciones plásticas o ahuellamiento, producidas por las altas temperaturas. También puede modificarse un asfalto con polímeros, cauchos o hidrocarburos naturales, con la consiguiente mejora de sus propiedades.

Los rellenos pueden ser: a) filler minerales, como cálcareos, cemento o cenizas volantesb) negro de humoc) fibras, que pueden ser de asbestos, polipropileno, vinilo,

celulosa.

Los polímeros son sustancias orgánicas que logran hidratarse e hincharse dentro del asfalto en forma molecular, donde el grado de dispersión depende de la temperatura de trabajo del molino coloidal

Los polímeros más empleados son: copolímeros de etileno-acetato de vinilo (EVA) y otros copolímeros de etileno (EBA, EMA, etc.) y los elastómeros termoplásticos de butadieno-estireno telebloque (SBS), cuyos porcentajes usuales son entre 3 a 7%. Otros polímeros plásticos lo constituyen el polietileno, polipropileno y el policloruro de vinilo (PVC).

Otros polímeros a menor escala son el caucho natural y cauchos de etileno-propileno (EPDM). El uso de caucho recuperado de cubiertas descartadas, donde los neumáticos son pulverizados o triturados en polvos de caucho para ser añadidos directamente al asfalto caliente, no dió los resultados esperados pues los polvos son altamente inestables en el asfalto.

La utilización como modificador del caucho con asfaltita es un producto que ha sido comercializado por varias empresas. El proceso se inicia en separar del neumático sus componentes: caucho, acero y tejido. El caucho es molido finamente y se lo trata químicamente para mejorar sus características adherentes y entonces se lo combina con asfaltita, que es un asfalto natural de consistencia sólida, muy rico en asfaltenos, existiendo en nuestro país un yacimiento.

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Fabricación de asfalto modificado

La incorporación del polímero al asfalto en caliente se hace a temperatura elevada en molinos coloidales mediante altos esfuerzos de corte. El polímero se dispersa en el betún y absorve aceites de maltenos, se hincha y se dispersa en forma molecular produciendo importantes cambios reológicos.

Mejora de la cohesión interna

Los polímeros mejoran la cohesión interna de los asfaltos. Para poder medir esa mejora se usa el ensayo de Resistencia-Tenacidad (Benson) que consiste en una semiesfera de 1,9 cm. de diámetro dentro de un recipiente de 50 cm3 del ligante modificado. Se deja 12 horas a 25ºC y se trata de sacar la semiesfera a v = 30 cm/min, registrando la curva tensión deformación. Se expresa en Kg . cm por ser unidad de trabajo.

Otro producto modificado con polímero es el asfalto policondensado, llamado también de alto índice, en base al uso de un reactor de última generación y ciertas reacciones químicas internas, que producen notables diferencias en las propiedades reológicas. El Indice de Penetración de un asfalto de línea tradicional 70-100 proveniente de destilación directa de refinería da un -0,5, mientras que un asfalto modificado de alto índice da +1,2.

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El Indice de Penetración (ensayo según método Pfeiffer) es una medida de la susceptibilidad térmica de los asfaltos, es decir, de la variación de la consistencia con la temperatura. Valores muy bajos del Indice son propios de asfaltos muy susceptibles, donde a temperaturas elevadas la consistencia será muy baja y a baja temperatura será alta. Esto puede conducir a deformaciones de las mezclas asfàlticas con temperaturas de colocación elevadas, mientras que con bajas temperaturas las mezclas se tornan rígidas con el consiguiente riesgo de fisuración por la acción dinámica de las cargas de tránsito.

El asfalto ideal sería aquel que a temperatura de servicio (0 a 60ºC) mantenga casi constante su consistencia y elevando la temperatura por encima de las de servicio la viscosidad caiga rápidamente para que podamos fabricar y compactar la mezcla asfáltica sin inconvenientes. En la figura G se presenta la susceptibilidad térmica de un asfalto ideal y uno convencional.

Como puede observarse un asfalto convencional está alejado de tener un comportamiento ideal de variación de la consistencia con la temperatura. Es por esto, entre otras razones, que se los modifica para darle propiedades más cercanas a un betun ideal. En resumen, el objetivo de la modificación es conseguir ligantes con propiedades reológicas que no pueden ser alcanzadas de por sí cuando son obtenidas a partir de las técnicas convencionales de refinación.

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Los ensayos sobre asfaltos modificados apuntan a los siguientes:

a) Envejecimiento: con el método sobre película delgada rotativa.b) Resistencia a la tracción: con la ductilidad y ensayo de tracción. La ductilidad, en asfaltos modificados, se realiza en las mismas condiciones que para asfaltos convencionales, pero la temperatura de ensayo es de 5ºC.c) Recuperación elástica: con el ductilímetro y el retorno elástico rotacional. La recuperación elástica por torsión es, quizás, el ensayo emblemático para los asfaltos polimerizados. En él, se sumerge un cilindro macizo en un recipiente al que luego se le agrega el ligante bituminoso. Mediante un dispositivo de torsión adecuado, se gira el cilindro 180ºC (de posición 1 a posición 2) y se determina, despúes de 30 minutos, el ángulo recuperado por el cilindro (posición 3). En el ejemplo de la figura, la Recuperación Elástica por Torsión será de 100ºC/180ºC x 100 = 55%. Este ensayo puede reemplazarse por la recuperación elástica por ductilidad modificada.

Este ensayo se realiza con el ductilómetro. Consiste en estirar la muestra una longitud predeterminada y luego cortar aproximadamente en su punto medio, dejándola recuperar durante un tiempo para luego medir la recupeación. Algunos autores recomiendan su ejecución a 10ºC de temperatura, 20 cm. de estiramiento y dejar recuperar durante 30 min. Suele llamárselo como el “ensayo 10-20-30”.d) Estabilidad al almacenamiento: con penetración y puntos de ablandamiento a distintas profundidades permite observar la tendencia a la separación de fases.e) Dispersión del polímero: con microscopía con fluorescencia por reflexión para visualizar el polímero.f) Penetración y Punto de Ablandamiento.

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Techados asfálticos

El asfalto contiene cierta cantidad de impurezas, por lo que se evalúa su calidad mediante dos parámetros: la penetración y el punto de ablandamiento. Para usarlo en una azotea, donde puede estar expuesto a 60ºC o más, se preferirá un asfalto de elevado punto de ablandamiento.

Para conformar membranas que deban soportar cargas, el asfalto solo no resulta adecuado, y debe formarse una “estructura” incorporándole material granular, como arena, lo que se llama “mastic asfáltico”.

El asfalto o el mastic no deben estar expuestos a la intemperie, pues al evaporarse sus compuestos volátiles, se producen esfuerzos de contracción originándose fisuras por pérdida de la plasticidad. Para absorber esos esfuerzos se dispone de fibras, que pasan a formar los fieltros asfálticos.

Las fibras son de distintos materiales: lana animal, la que por razones de costo fué reemplazada por fibra vegetal; amianto, también desaparecida por su alto costo; yute, ramio, formio, sisal, pita, que no se usan pues otras industrias pagan más por ellas; papel viejo con alguna proporción de trapos y un poco de fibra de calidad. Estas fibras son sumergidas en asfalto.

Actualmente la más difundida es la de fibra de vidrio, donde las fibras vienen pegados con asfalto o con resinas. Soporta esfuerzos en la dirección paralela a las fibras y por ello se debe colocar en capas cruzadas.

Los fieltros vienen en distintos espesores, vendiéndose por peso cada 100 pies cuadrados. Están los fieltros Nº 12, 15, 25, 30 y 45 (libras/100 pie cuadrado)

Cuando se necesitan capas impermeables, se usan los “techados asfálticos” que están formados por un fieltro con sus dos caras recubiertas por película de asfalto.

Se fabrican los techados Nº 1, 2, 3 y 4, en orden creciente de espesor y peso.También hay otros materiales no asfálticos para membranas impermeables para techos con

láminas metálicas resistentes a la corrosión como plomo, cobre y aluminio, siendo éste el de menor costo, y con membranas de plásticos como las elastoméricas (neopreno o hypalon) y las termoplásticas (PVC). Estas dos últimas son más costosas que las aislaciones asfálticas, pero proporcionan impermeabilizaciones de mejor calidad y duración.

Ensayos de techados y fieltros asfálticos

Están establecidos por normas IRAM 1558 - 1559 - 1561 - 1575 a 1583 - 1588 y 1589, mediante ensayos físicos y químicos, para lo cual se toman probetas extraídas de un trozo de 90 x 90 cm. del techado o fieltro asfáltico.

Ensayos físicos: 1) Pérdida de peso por calentamiento (P): se pesan dos probetas (P2), se introducen en estufa

a 105ºC durante 5 hs. para fieltro y a 80ºC durante 2 hs. para techado, se retiran de la misma, se dejan enfriar, y se pesan (P1). P = (P1 / P2) x 100

2) Tendencia a formar ampollas: se aprovecha el ensayo anterior, para comprobar visualmente, si debido al calor se produce un ampollamiento.

3) Resistencia a tracción: se efectúa sobre probetas cortadas en el sentido de la máquina que prepara el fieltro (dirección paralela a las fibras) y en sentido transversal (dirección perpendicular a las fibras) y las muestras deben estar sumergidas en agua a 25ºC durante 24 horas.

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4) Resistencia al estallido: mide la resistencia al punzonamiento. Para ello se requiere de un aparato llamado de Mullen (análogo al usado en la industria del papel), donde se coloca la probeta entre dos platinas y se sujeta fuertemente bajando la palanca, luego se aplica la presión hidrostática y se aumenta a razón de 1 Kg/cm2 y por segundo, hasta comprobar que la probeta estalla. Cuando esto ocurre, el manómetro registra la presión de rotura que es el resultado del ensayo.

5) Plegabilidad: se realiza sobre probetas cortadas en los dos sentidos, que se sumergen en un baño de agua a 25ºC durante 15 minutos, y luego se pliegan sobre una pieza curva de 18,5 mm. de radio para los techados asfálticos y de 12,5 mm. de radio para los fieltros asfálticos. El plegado se realiza en 2 segundos. El ensayo consiste en comprobar la existencia de alguna fisura.

6) Permeabilidad: se practica colocando probetas bajo la acción de una columna de agua de 25 cm. durante 24 hs., si se trata de fieltro asfáltico, y una columna de agua de 1 m. y 48 hs. si se trata de techado asfáltico. Las probetas son previamente sumergidas en agua durante 24 horas. La diferencia de volumen de agua en la columna es la que ha pasado a través de la probeta, expresando el resultado de permeabilidad entre el volumen de agua que ha pasado y la superficie de la probeta (lts/m2).

7) Absorción: un armazón metálico para sostener la probeta, que permita un contacto directo del agua con la superficie del producto. Se pesa la probeta y se sumerge en agua a 25ºC durante 24 horas, luego se retiran y se secan colocandolas entre dos papeles de filtro. Se determina el peso de agua absorbida en los techados asfálticos:

Pa = Pi - Ps, donde Pi = peso de la probeta luego de la inmersión y Ps = peso seco de la probeta.

Se determina el peso de agua absorbida en los fieltros asfálticos: Pa = 2,25 Pi - Ps.El resultado es la cantidad de agua absorbida por el material: P (%) = (Pa / Ps) x 100 8) Peso Específico: para techados asfálticos se pesa la probeta en el aire (Pa) y luego se pesa

sumergida en agua (Ps) siendo el P.E. a 25ºC = Pa / Pa - Ps

Para fieltros asfálticos, como generalmente es más liviano que el agua, se pesa la probeta mediante pesas sostenidas por ganchos de alambre delgado, fijados en un un orifico en un extremo de la probeta, obteniendose el peso sumergido más lastre (Ps) siendo el peso del lastre (Pi). P.E. = Pa / Pa - (Ps + Pi)

Ensayos químicos:a) Determinación de humedad: mediante la destilación de agua se separa en razón de su densidad, el agua que va condensando y se recoge dentro del tubo graduado, registrando su volumen.b) Determinación del contenido de betún: se extraen los compuestos bituminosos, con sulfuero de carbono, mediante un extractor centrífugo.c) Cenizas: permite conocer la cantidad de material mineral contenido, quemando en forma total el betún y el material fibroso; se calcina después el residuo entre 700 y 800ºC, hasta cenizas blancas. Por diferencia de peso del material antes del ensayo y con las cenizas, se puede calcular el contenido de cenizas en por ciento.

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Sobre membranas asfálticas las normas IRAM elaboraron las siguientes:- 6680 (setiembre de 1991) preelaboradas con armadura de fibra de vidrio y revestimiento de aluminio. Están compuestas por lámina central de fibra de vidrio cubierta en ambas superficies por masa bituminosa y terminadas con 2 láminas de un material termofusible no mayor de 25 mm. de espesor. El revestimiento estará coonstituído por una lámina de aluminio gofrado de alta pureza.- 6684: similar sin revestimiento de aluminio.- 6685: preelaboradas en forma similar donde en vez de armadura de fibra de vidrio lleva una lámina central de polímeros. - 6687: igual a la anterior sin revestimiento de aluminio

Los ensayos comprenden: medidas, espesor de la lámina de aluminio, resistencia al calor y se establecen para la recepción las siguientes condiciones:

- espesor: deberá ser uniforme y no variar en +/- 10% del valor especificado.masa por m2: (minimo) 3,1 Kg/m2

- masa de fibra de vidrio por m2: (min) 0,040 Kg/m2

- masa de lámina central polietileno (min) 0,050 Kg/m2

- espesor lámina de aluminio (min) 40 micrones- carga de rotura longitudinal (min) 50 N/cm- carga de rotura transversal (min): 40 N/cm.- cargas minerales (max): 35 gr/100 gr.- masa bituminosa por m2: (min) 3 Kg/m2

- alargamiento al calor: (max): 2 %. No presentará flujo de masa bituminosa o formación de ampollas.

- punzonamiento dinámico (min) 2,45 joule.- la plegabilidad sobre un radio de12,5 mm. a 0ºC realizado en 3 seg. sobre ambos lados no

presentará grietas, fisuras, desprendimientos de la masa bituminosa ni del material de carga.

ingeniería civil tecnología de los materialesestos asfaltos no pueden utilizarse directamente,...

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