mÓdulo 8: ligantes bituminosos - fernando sÁnchez sabogal

LIGANTES BITUMINOSOS

CONTENIDO

Definiciones y tipos de ligantes bituminosos

Clasificación de los cementos asfálticos

Ensayos de clasificación de cementos asfálticos por

penetración y viscosidad

Criterio SUPERPAVE para especificar cementos

asfálticos

Asfaltos modificados con polímeros

Emulsiones asfálticas

Emulsiones asfálticas modificadas

Asfalto líquido para imprimación


DEFINICIONES Y TIPOS DE


Ligante bituminoso

Material que contiene betún (bitumen), el cual es unhidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2). Elasfalto y el alquitrán son materiales bituminosos

Asfalto

Material aglomerante de color marrón oscuro a negro,de consistencia variable, constituido principalmente porbetunes. El asfalto puede ser natural u obtenido porrefinación de petróleo


DEFINICIONES

Alquitrán

Producto hidrocarbonado semisólido o líquido,resultante de la destilación de la hulla. Su contenidode betún es menor que el de los asfaltos. Presentabuena adhesividad con los agregados y resiste elataque de los derivados del petróleo, pero presentaalta susceptibilidad térmica y envejecimiento rápido


DEFINICIONES

TIPOS DE LIGANTES BITUMINOSOS

OBTENCIÓN DE LOS ASFALTOS EN REFINERÍA

TIPOS DE ASFALTOS PARA PAVIMENTACIÓN

Cemento asfáltico

Asfalto refinado o una combinación de éste con un aceitefluidificante, cuya viscosidad es apropiada para los trabajos depavimentación

Asfalto líquido

Cemento asfáltico licuado con solventes como la gasolina(RC), el kerosén (MC) o un aceite liviano (SC). Su uso está muylimitado por efectos ambientales

Emulsión asfáltica

Dispersión de glóbulos de cemento asfáltico dentro de aguaen presencia de un agente emulsificante. Puede ser aniónica ocatiónica, dependiendo de la carga eléctrica de los glóbulos

TIPOS DE ASFALTOS PARA PAVIMENTACIÓN


CLASIFICACIÓN DE LOS

CEMENTOS ASFÁLTICOS



Por grados de penetración

Se basa en el resultado del ensayo de penetración, escual describe la consistencia a una temperatura de 25° C

El Instituto Nacional de Vías ha adoptado dos gradosde cemento asfáltico para pavimentación, conpenetraciones comprendidas dentro de los rangos 60-70y 80-100

Por grados de viscosidad

Se basa en la determinación de la viscosidad absoluta delproducto a 60° C

Cuando las pruebas se realizan sobre el asfalto original sedesignan como AC-2.5; AC-5; AC-10; AC-20 y AC-40 y sedesignan como AR 1000, AR 2000, AR 4000, AR 8000 y AR1600, cuando se efectúan sobre muestras de asfaltossometidos a un ensayo de envejecimiento acelerado

En el primer caso, el número de identificación es lacentésima parte de la viscosidad deseada a 60°C, en Poises, yen el segundo caso es la viscosidad deseada a la mismatemperatura, en Poises



Por grados de comportamiento

Se basa en el desempeño previsto del ligante y loespecifica en función de las condiciones climáticasextremas en que presenta propiedades físicasadecuadas. Se designan con el acrónimo PG,acompañado de dos números que indican lastemperaturas máximas y mínimas de diseño (Ejemplo:PG 64-28)

Hay 21 clases de asfaltos clasificados por grados decomportamiento



ELECCIÓN DEL GRADO

DE CEMENTO ASFÁLTICO

Independientemente del sistema de clasificaciónelegido, el grado por escoger depende de las condicionesambientales

El sistema de grados de comportamiento (PG) definelos límites de temperatura dentro de los cuales esprevisible el buen comportamiento del cemento asfáltico

En los otros sistemas, la tendencia es elegir bajosgrados de viscosidad en climas fríos para brindarmayor flexibilidad para soportar el agrietamientotérmico a baja temperatura, en tanto que si el clima escálido se eligen ligantes de mayor viscosidad paracontribuir en la resistencia de las mezclas a ladeformación permanente

La elección del grado es importante también en eldiseño del pavimento, por cuanto incide en laspropiedades de rigidez y de fatiga de la mezclaasfáltica

ELECCIÓN DEL GRADO

DE CEMENTO ASFÁLTICO


ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN

DE CEMENTOS ASFÁLTICOS

POR PENETRACIÓN Y POR

VISCOSIDAD

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS

ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD

Penetración (INV E-706)

Es una medida de la consistencia del asfalto a la

temperatura especificada para el ensayo

Punto de ablandamiento (anillo y bola) (INV E-712)

Es la temperatura a la cual el cemento asfáltico se

vuelve lo suficientemente blando como para comenzar

fluir. Se suele suponer, en términos amplios, que la

consistencia en este punto es equivalente a la que

presenta cuando su penetración es 800 (0.1mm)

El concepto del punto de ablandamiento es algo

arbitrario y no corresponde exactamente a un cambio

físico del producto, por cuanto la consistencia del asfalto

disminuye gradualmente sin presentar un punto de fusión

definido



Punto de ablandamiento (anillo y bola) (INV E-712)



Índice de penetración de Pfeiffer y Van Doormaal (IP)

Expresión matemática para estimar la susceptibilidadtérmica de los cementos asfálticos

BAT

penA

A

AIP

&25

800log)log(

501

50020

Donde

pen = penetración a 25°C (0.1 mm)

T A&B= punto de ablandamiento (°C)



Índice de penetración de Pfeiffer y Van Doormaal (IP)

Ejemplo

pen =100 (0.1 mm)

T A&B = 45°C

79.004515.0*501

04515.0*50020

04515.04525

800log100log

IP

A



Viscosidad absoluta (INV E-716)

La prueba tiene por finalidad determinar la viscosidad

del cemento asfáltico a la temperatura más alta que el

pavimento suele experimentar durante su servicio



Ductilidad (INV E-702)

Es una medida de cuánto puede estirarse una muestra del

asfalto antes de que se rompa en dos (5cm/minuto, 25º C)

Es un ensayo más de identificación que cuantitativo. Los

asfaltos provenientes de destilación del petróleo al vapor o al

vacío muestran alta ductilidad, en tanto que en los obtenidos por

oxidación o soplado la ductilidad es baja



Punto de inflamación (INV E-709)

Es la temperatura más baja a la cual

se separan materiales volátiles de la

muestra, creando un ―destello‖ en

presencia de una llama abierta

La finalidad de la prueba es

identificar la temperatura máxima a la

cual el producto puede ser manejado

sin peligro de que se inflame



Solubilidad (INV E-713)

Es un procedimiento para medir la pureza del cemento

asfáltico

Una muestra es sumergida en un solvente donde se disuelven

sus componentes cementantes activos, en tanto que las

impurezas (sales, carbono libre, contaminantes inorgánicos) no

se disuelven, sino que se depositan en forma de partículas



Contenido de agua (INV E-704)

Se emplea para determinar la existencia de

contaminaciones indebidas o asegurarse que no se

producirá espuma durante el calentamiento del

producto

El método se basa en la destilación a reflujo de una

muestra del asfalto, junto con un disolvente volátil no

miscible con el agua, el cual, al evaporarse, facilita el

arrastre del agua presente, separándose de ella al

condensarse



Envejecimiento en horno en película fina (INV E-721)

Reproduce el efecto del aire y del calor sobre una

película delgada del ligante asfáltico, simulando el

envejecimiento que éste sufre a corto plazo durante los

procesos de mezclado y colocación de las mezclas de

concreto asfáltico

A la muestra así envejecida, se le determinan la pérdida

de masa, la penetración (25º C), la ductilidad (25º C) y la

viscosidad a 60º C para medir el endurecimiento

anticipado del material durante las operaciones de mezcla

y colocación



Envejecimiento en horno en película fina

(INV E-721)



Envejecimiento al horno en película fina rotativa

(INV E-720)

Reproduce el efecto del aire y del calor sobre una

película delgada del ligante asfáltico en movimiento,

simulando el envejecimiento que éste sufre a corto plazo

durante los procesos de mezclado y colocación de las

mezclas de concreto asfáltico

Las ventajas de este ensayo sobre el del horno en

película fina consisten en que se puede acomodar un

mayor número de muestras en el horno y que el tiempo

requerido para envejecerlas es menor





Horno

Recipientes para el ensayo

(izquierda – luego del ensayo, centro – antes

del ensayo, derecha – vacío)

Envejecimiento al horno en película fina rotativa

Gráfica de Heukelom (Bitumen Test Data Chart)

Muestra la variación de la consistencia del asfalto con latemperatura

Permite determinar gráficamente el índice de penetración(IP)

Permite estimar las temperaturas más adecuadas de mezcla ycompactación de las mezclas asfálticas en caliente:

— El cubrimiento satisfactorio del agregado pétreo seobtiene con una viscosidad aproximada del asfalto de 0.2Pa.s (2 Poises)

— La viscosidad óptima para compactación se encuentraentre 2 y 20 Pa.s (20 - 200 Poises)



Gráfica de Heukelom (Bitumen Test Data Chart)



ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS

ESPECIFICACIONES INVIAS CON BASE EN LA PENETRACIÓN

CARACTERISTICA

NORMA DE

ENSAYO INV 60-70 80-100

mín máx mín máx

Penetración (25oC, 100 g, 5 s) 0.1 mm E-706 60 70 80 100

Índice de penetración - E-724 -1 +1 -1 +1

Viscosidad absoluta (60° C) P E-716 1500 1000

Ductilidad (25 oC, 5 cm/min) cm E-702 100 - 100 -

Solubilidad en tricloroetileno % E-713 99 - 99 -

Contenido de agua % E-704 - 0.2 - 0.2

Punto de ignición mediante copa abierta

de Cleveland °C

E-709

230 - 230 -

Pérdida por calentamiento en película

delgada (163oc, 5 h) %

E-721

- 1.0 - 1.0

Penetración del residuo luego de la

perdida por calentamiento, en % de la

penetración original

% E-706 52

-

48

-

Especificaciones ASTM con base en la viscosidadRequerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140

oF (60

oC)

Grado de viscosidadEnsayoAC-2.5 AC-5 AC-10 AC-20 AC-40

Viscosidad, 140oF (60

oC), P


oC), mínimo, cSt.

Penetración 77oF (25

oC), 100g. 5 s. mínimo

Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo oF (

oC)

Solubilidad en tricloroetileno, mínimo %Ensayos sobre el residuo del TFOT: Viscosidad 140

oF (60

oC), máximo

Ductilidad, 77oF (25

oC), 5cm/min. mínimo cm.

250 + 5080200

325 (163)99.0

1250100

A

500 + 100110120

350 (177)99.0

2500100

1000 + 20015070

425 (219)99.0

500050

2000 + 40021040

450 (232)99.0

1000020

4000 + 80030020

450 (232)99.0

2000010

Requerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140oF (60

oC)

Ensayo AC-2.5 AC-5 AC-10 AC-20 AC-30 AC-40Viscosidad, 140

oF (60

oC), P


oC), mínimo cSt.



Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo oF (

oC)

Solubilidad en tricloroetileno, mínimo %Ensayos sobre el residuo del TFOT: Viscosidad 140

oF (60

oC), máximo

Ductilidad, 77oF (25


250 + 50125200

325 (163)99.0

1250100

A

500 + 100175140

350 (177)99.0

2500100

1000 + 20025080

425 (219)99.0

500075

2000 + 40030060

450 (232)99.0

1000050

3000 + 60035050

450 (232)99.0

1500040

4000 + 80040040

450 (232) 99.0

2000025

Requerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140oF (60

oC)

Ensayos sobre el residuo del RTFOT: AR-1000 AR-2000 AR-4000 AR-8000 AR-16000Viscosidad, 140

oF (60

oC), P


oC), mínimo, cSt.



% de penetración original, 77oF (25oC), mínimoDuctilidad, 77

oF (25


Ensayos sobre el asfalto original: Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo

oF (

oC)

Solubilidad en tricloroetileno, mínimo %

1000 + 25014065-

100A

400 (205)99.0

2000 + 5002004040

100B

425 (219)99.0

4000 + 1000275254575

400 (227)99.0

8000 + 2000400205075

450 (232)99.0

16000 + 4000550205275

460 (238)99.0


COMPARACIÓN DE GRADOS DE PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD


VENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN

POR GRADOS DE PENETRACIÓN

Los grados de los asfaltos se relacionan con lastemperaturas promedio de servicio

Los ensayos son sencillos y de rápida ejecución

Bajos costos de capital

Los ensayos se pueden realizar en laboratorios deobra

Se puede establecer la susceptibilidad térmica

DESVENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN

POR GRADOS DE PENETRACIÓN

El ensayo de penetración es empírico

La velocidad de corte durante el ensayo es alta yvariable

Similares penetraciones a 25°C no reflejan ampliasdiferencias en el comportamiento de los asfaltos encondiciones de servicio

Las temperaturas de mezcla y compactación no estándisponibles


POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AC)

La viscosidad es una propiedad fundamental del asfalto

La evaluación se realiza en un amplio rango detemperaturas

La evaluación considera la máxima temperatura de lasuperficie del pavimento

Se tiene en cuenta la susceptibilidad térmica

Se dispone de información sobre las temperaturas demezcla y compactación


POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AC)

Mayor costo y tiempo de ejecución de los ensayos

Se requiere mayor pericia técnica

La clasificación no es válida para asfaltos nonewtonianos

Asfaltos ubicados en el mismo grado puedenpresentar un amplio rango de propiedades


POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AR)

Representa las propiedades del asfalto después decalentado y mezclado en planta

Mide una propiedad fundamental del asfalto

Evaluación en un amplio rango de temperaturas

Limita el uso de asfaltos muy susceptibles alenvejecimiento


POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AR)

Alto costo y largo tiempo de ejecución de los ensayos

Requiere diferentes equipos y pericia técnica

Clasificación no válida para asfaltos no newtonianos

No hay ensayos de consistencia para el asfalto original

Amplio rango de propiedades para asfaltos del mismogrado


CRITERIO SUPERPAVE

PARA ESPECIFICAR


ESPECIFICACIONES SUPERPAVE

SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS

Introducción

SUPERPAVE (Superior Performing AsphaltPavement) es un sistema de especificación de losmateriales constitutivos, diseño de mezclas asfálticas ysu análisis, y la predicción del comportamiento de lospavimentos, incluyendo equipos de ensayo, métodos deensayo y criterios. El sistema especifica los ligantes conbase en el clima y la temperatura prevista en elpavimento



Introducción (cont.)

El ligante se especifica por grados de comportamiento(grados de performance -PG-), por ejemplo, PG 64-22

Los números (64 y -22) indican las temperaturas másalta y más baja, en grados Celsius, dentro de las cuales elligante poseería propiedades físicas adecuadas

ALTA TEMPERATURA BAJA TEMPERATURA (-)

PG 52 10, 16, 22, 28, 34, 40, 46

PG 58 16, 22, 28, 34, 40

PG 64 16, 22, 28, 34, 40

PG 70 10, 16, 22, 28

Introducción (cont.)

El sistema mide las propiedades físicas tanto sobreel ligante sin envejecer, como sobre el liganteenvejecido en el laboratorio, para simular lascondiciones de envejecimiento en un pavimento reala corto y largo plazo



El envejecimiento se simula con 2 dispositivos:

Horno de película fina rotativa (RTFO)

Equipo de envejecimiento a presión (PAV)

Las propiedades físicas de los ligantes son medidas con4 dispositivos:

Viscosímetro rotacional (RV = rotational viscosimeter)

Reómetro de corte dinámico (DSR = dynamic shearrheometer)

Reómetro de flexión (BBR = bending beam rheometer)

Ensayo de tracción directa (DTT = direct tension test)





ENVEJECIMIENTO A CORTO PLAZO

Envejecimiento del asfalto en horno de película finarotativa (RTFO)

Simula el envejecimiento durante el mezclado y laetapa de construcción



ENVEJECIMIENTO A LARGO PLAZO



Envejecimiento del asfalto en equipo de envejecimientoa presión (PAV)

Muestras de 50 gramos del ligante son envejecidasdurante 20 horas bajo una presión de 300 psi, a altatemperatura, simulando el envejecimiento del ligantedespués de 7 a 10 años de servicio



VERIFICACIÓN DE VISCOSIDAD DURANTE EL PROCESO CONSTRUCTIVO



Viscosímetro rotacional

Caracteriza el stiffness del ligante a 135°C,temperatura a la cual éste actúa casi enteramente comofluido

El equipo consiste en un cilindro rotacional coaxial,que mide la viscosidad por medio del torque requeridopara rotar un eje dentro de una muestra de ligante a unavelocidad constante

La especificación exige una viscosidad menor de 3Pa.s, a 135°C, para garantizar que el ligante esbombeable y manejable durante la elaboración de lamezcla



Viscosímetro rotacional



VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA AL AHUELLAMIENTO

Y A LA FATIGA DURANTE EL PERÍODO DE SERVICIO



Reómetro de corte dinámico (DSR)

Se emplea para caracterizar las propiedadesviscoelásticas del ligante

Mide el módulo complejo en corte (G*) y el ángulo defase (d), sometiendo a tensiones de corte oscilante unapequeña muestra del ligante, colocada entre dos platosparalelos y midiendo la deformación de corte resultante

Si el material es totalmente elástico, no hay retrasoentre la tensión de corte y la respuesta de la deformaciónespecífica de corte (d0)

Si el material es totalmente viscoso, la respuesta estátotalmente desfasada (d90)



Reómetro de corte dinámico (DSR) (cont.)

Los materiales viscoelásticos tienen un ángulo defase entre 0° y 90°, dependiendo de la temperatura delensayo

La especificación de ligantes SUPERPAVE controlael stiffness del asfalto a las mayores temperaturas deservicio y a las temperaturas intermedias



Reómetro de corte dinámico (DSR) (cont.)

A altas temperaturas ( > 46°C ), lo hace mediante larelación G*/sen d , buscando garantizar que el asfaltoprovea su mayor aporte a la resistencia global al cortede la mezcla en términos de la elasticidad a altastemperaturas (protección contra el ahuellamiento)

A temperaturas intermedias (7°C a 34°C), lo hacemediante el producto G*(sen d ), asegurando que elligante no contribuya a la fisuración por fatiga



Reómetro de corte dinámico (DSR)



VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA ALAGRIETAMIENTO A BAJA TEMPERATURA



Reómetro de flexión de viga (BBR)

Caracteriza las propiedades de stiffness del ligantea bajas temperaturas

Mide el stiffness en ―creep‖(S) y el logaritmo dela viscosidad de deformación en ―creep‖ (m)

Una pequeña viga de ligante es sometida a ―creep‖a baja temperatura y conociendo la carga aplicada yla deflexión durante todo el ensayo, el stiffness en―creep‖ puede ser determinado para diversos tiempos




El logaritmo de la velocidad de deformación en creep―m‖ es la pendiente de la curva log (St) vs log (t), paraun tiempo de 60 segundos




Ligantes con bajo stiffness en creep no se fisurarán entiempo muy frío

Ligantes con alto valor de ―m‖ son más efectivos enla relajación de las tensiones que se desarrollan cuandola temperatura desciende, asegurando un fisuramientomínimo por baja temperatura

Algunos ligantes (en especial los modificados conpolímeros) pueden tener a baja temperatura un stiffnessen creep más alto que el deseado sin que se fisuren,debido a que conservan su capacidad para estirarse sinfracturas a bajas temperaturas



Ensayo de tensión directa (DTT)

Verifica que el ligante sea suficientemente dúctil abajas temperaturas cuando su stiffness en ―creep‖ esmuy alto

El DTT provee la deformación específica de roturaen tracción, medida sobre una muestra pequeña deforma de hueso que es estirada a baja temperaturahasta que se corta



Ensayo de tensión directa (DTT)



ASFALTO ENSAYO PROPIEDAD

Punto de inflamación Seguridad en el manejo

Viscosidad a 135°C Facilidad de bombeo

Corte dinámico (DSR)

Asegurar una rigidez y elasticidad mínimas que eviten

el ahuellamiento a altas temperaturas

Perdida de masa Garantizar ausencia de solventes o humedad


Asegurar una rigidez y elasticidad mínimas que eviten

el ahuellamiento a altas temperaturas


Asegurar resistencia a la fatiga a temperaturas

intermedias

Reómetro de flexión (BBR) Prevención de fisuración en tiempo frío

Tracción directa (DTT) Complementa el BBR, cuando S es alto

ORIGINAL

SOMETIDO AL

ENVEJECIMIENTO A

PRESIÓN

SOMETIDO AL

ENSAYO RTFO



PROPIEDADES QUE INTENTAN MEDIR LOS DIFERENTES ENSAYOS

Ejemplo de clasificación por el sistema PG




ASFALTOS MODIFICADOS

CON POLÍMEROS

Asfaltos cuyo comportamiento es mejorado en

términos de su tolerancia a los esfuerzos y a los cambios

térmicos, merced a una modificación del balance de

comportamiento en el rango de temperaturas de

aplicación y servicio


Beneficios que se buscan con la modificación del asfalto

Aumentar la rigidez a altas temperaturas de servicio,

mejorando la resistencia de las mezclas a la deformación

permanente

Reducir la rigidez a bajas temperaturas, previniendo la

fisuración térmica.

Aumentar la resistencia a la fatiga de las mezclas

Mejorar la adhesión con los agregados pétreos

Mejorar la cohesión, brindando mejor retención de los

agregados en la vida inicial de los tratamientos superficiales


Beneficios que se buscan con la modificación del asfalto

Reducir el endurecimiento en servicio, brindando una

vida superior a la mezcla, debido a la retención de sus

ventajas iniciales

Disminuir la susceptibilidad térmica en el rango de

temperaturas de servicio

Aumentar la viscosidad a bajas velocidades de corte,

permitiendo mayores espesores de película en el agregado

en mezclas abiertas y reduciendo la exudación en

tratamientos superficiales

CADA ADITIVO MODIFICADOR PUEDE SER EXITOSO EN LA MEJORA DE

CUANDO MENOS UNA DE LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO, PERO NO EXISTE

EL ADITIVO CURALOTODO.


fatiga térmico

Llenantes 1 Alguno

Alguno

Alguno Baja Bajo Requiere supresión de

polvo

Fibras 0 Sí Alguno Baja Bajo Problemas de salud

Asfalto natural 1 Sí Alguno Baja Medio

Modificadores

químicos

1 Alguno Alguno Media Medio

Azufre

0

Sí Media Medio Vapores tóxicos al

calentar

Polímeros

termoendurecibles

1 Sí Sí Sí Sí Sí Alta Alto Nocivos a la salud

Polímeros

termoplásticos

(plastómeros)

1 Sí Media Medio - Alto Posibilidad de producir

un monómero nocivo

Elastómeros 1 Sí Sí Sí Sí Alta Medio - Alto

Caucho reciclado 1 Sí Sí Alta Medio Usa material de

desperdicio

Modificador

1, En el mismo grupo genérico hay un amplio rango de composición de modificadores y de beneficio sobre el comportamiento. La tabla brinda sólo un panorama

amplio y no se debe usar como guía para elegir un modificador con un propósito específico.

Dificultad de

reciclar

Costo

adicional

Consideraciones

ambientales

AgrietamientosNotas Deformación

permanente

Envejecimi

ento

Stripping

RESUMEN DE LOS BENEFICIOS POTENCIALES DE LOS ASFALTOS

MODIFICADOS SOBRE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS (SHELL)


DEFINICIÓN

Sustancias macromoleculares, formadas por

asociación de gran cantidad de moléculas sencillas,

cuya característica esencial es su elevado peso

molecular

POLÍMEROS

Termoendurecibles : Formados por reacción química de los

componentes (base y endurecedor), dando lugar a una

estructura entrecruzada. Ejemplos: resinas epoxi, resinas de

poliéster, etc.

Termoplásticos: Polímeros solubles que se reblandecen por

acción de calor y pueden llegar a fluir. Ejemplos: Polietileno

(PE), policloruro de vinilo (PVC), copolímeros de etileno –

acetato de vinilo (EVA), etc.

Elastómeros: Polímeros lineales amorfos que al ser

sometidos a vulcanización adquieren una estructura

parcialmente reticulada que les confiere propiedades

elásticas. Ejemplos: Caucho natural (NR), caucho de

butadieno–estireno (SBR), elastómeros termoplásticos (SBS)

TIPOS DE POLÍMEROS

CARACTERÍSTICAS DE LOS POLÍMEROS COMPATIBLES

PARA LA MODIFICACIÓN DEL ASFALTO

Cadena general suficientemente larga y baja

polaridad

Peso molecular elevado, pero no excesivamente alto

para reducir riesgos por excesiva viscosidad y

problemas de dispersión

Baja temperatura de transición vítrea

POLÍMEROS

Las familias de polímeros más utilizadas para la

modificación del asfalto son:

— Plastómeros, basados normalmente en polímeros

de etileno (EVA), cuyos grados difieren en función

de la cuantía del acetato de vinilo y del peso

molecular

— Elastómeros termoplásticos, generalmente de

tipo SBS lineal, que le confieren al asfalto una baja

susceptibilidad térmica, buenas características

mecánicas y alta flexibilidad a bajas temperaturas

POLÍMEROS

POLÍMEROS MÁS UTILIZADOS EN LA MODIFICACIÓN

DEL ASFALTO

ASFALTO MODIFICADO CON UN POLÍMERO DEL TIPO SBS

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS

FABRICACION


La fabricación consiste en la incorporación, en el seno

del asfalto, de polímeros compatibles con éste, mediante

el empleo de un molino coloidal de elevado poder de

cizallamiento, durante un tiempo y a una temperatura

determinados, los cuales dependen de la naturaleza y del

contenido de cada uno de los componentes

FABRICACION


EFECTOS DEL EVA SOBRE LAS PROPIEDADES

DEL ASFALTO

Disminuye la penetración

Aumenta el punto de ablandamiento

Incrementa el índice de penetración

Produce poco efecto sobre la ductilidad a 5ºC (poca

capacidad de deformación rotura a baja temperatura)

Aumenta de manera moderada la recuperación

elástica por torsión


EFECTOS DEL SBS SOBRE LAS PROPIEDADES

DEL ASFALTO

Disminuye la penetración

Aumenta el punto de ablandamiento

Incrementa el índice de penetración (más que el

EVA)

Aumenta sustancialmente la ductilidad a 5ºC

Produce incrementos de importancia en la tenacidad

Aumenta de manera importante la recuperación

elástica


Ensayo de recuperación elástica por torsión (INV E-727)


Un cilindro inmerso en una muestra del asfalto a 25º C se gira

horizontalmente 180º y después de 30 minutos se mide el ángulo

que ha recuperado a causa de la elasticidad del asfalto (A)

Recuperación elástica = 100*180

A


X

X

X

Ensayo de recuperación elástica en ductilómetro (ASTM D6084

– INV E-742)

Una muestra del asfalto modificado es sometida a un

estiramiento de 20 cm en el ductilómetro, a 25º C, a razón de

5 cm/minuto

Al alcanzar esa longitud se corta la muestra y se determina

la longitud que se recupera luego de una hora (X)

Recuperación elástica = 100*20

X

térmico por fatiga

Termoenderucibles +++ ++ ++ + + muy alto

Elastómeros ++ ++ ++ + 0/+ medio/alto

Plastómeros + + 0 0 0 medio

Caucho de llanta usada 0/+ +/++ + 0 0 medio

ADHESIÓN A

LOS

AGREGADOS

RESISTENCIA AL

ENVEJECIMIENTO

INCREMENTO DE

COSTO

POLÍMERO

al agrietamientoa la

deformación

permanente

RESISTENCIA

PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN

LAS PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR

DIFERENTES CLASES DE POLÍMEROS

+++ muy efectivo ++ mejora sustancial + mejora significativa 0 poca o ninguna mejora


Los termoendurecibles producen ligantes de

propiedades muy superiores, pero son muy costosos y

difíciles de elaborar y aplicar

Los elastómeros (SBS) mejoran sustancialmente la

resistencia a la deformación, a la fisuración térmica y a la

fatiga; favorecen la adhesividad con los agregados y la

resistencia al envejecimiento

PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN LAS

PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR DIFERENTES

CLASES DE POLÍMEROS


Los plastómeros (EVA) mejoran la resistencia a la

deformación permanente, pero tienen poco efecto sobre

las demás características

El efecto del caucho de llanta usada es muy

variable, dependiendo del tipo y del porcentaje de

caucho y de las condiciones de procesamiento

PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN LAS

PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR DIFERENTES

CLASES DE POLÍMEROS


TIPOS DE ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS, INCLUIDOS

EN LAS ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS

TIPO V:: De alta consistencia, recomendado para la manufactura de mezclas de alto módulo

TIPO I: Es un asfalto de utilización en aglomerado asfáltico, y dentro de éste, su mayor aplicación son las

mezclas drenantes. Está pensado para el uso de un polímero tipo EVA o polietileno

TIPO II: También para aglomerado asfáltico, de cualquier tipo. El polímero sería de tipo SBS y con grado de

modificación intermedia, suficiente para muchas aplicaciones (entre ellas por ejemplo, los drenajes), con un

costo menor al Tipo III

TIPO III: Dentro de los tipos para utilizar en aglomerados asfálticos, éste sería el de mayor modificación

siendo su aplicación principal las mezclas densas y las mezclas discontinuas en caliente para capa de

rodadura. Su polímero es del Tipo SBS.

TIPO IV: De mayor penetración se aplicaría a mezclas antifisuras (tipo arena-asfalto) o riegos en caliente

(membranas tipo SAM o SAMI). El polímero es también SBS, el cual garantiza la alta elasticidad exigida a

los ligantes en estos tratamientos. Por esto mismo, el nivel de modificación es también elevado


ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS




EMULSIONES

ASFÁLTICAS

EMULSIONES ASFÁLTICAS

DEFINICIÓN

Dispersión homogénea de pequeños glóbulos de cemento

asfáltico cubiertos por un emulsificante, dentro de una fase

continua acuosa

Su fabricación requiere dos tipos de energía:

— Una mecánica, aportada por un molino coloidal que

fragmenta el asfalto en forma de gotas esféricas

— Una físico - química, que evita que los glóbulos se

unan unos con otros, la cual es aportada por el

emulsificante, que disminuye la tensión interfacial entre

el asfalto y el agua y crea una carga eléctrica en la

superficie de los glóbulos

ESQUEMA DE PLANTA DE FABRICACIÓN


Clasificación de las emulsiones asfálticas

a) Por el tipo de emulsificante utilizado en su elaboración

Aniónicas Catiónicas

Fabricadas a partir de emulsificantes iónicos

que al disociarse en el agua, el glóbulo de betún

queda rodeado de cargas negativas

Fabricadas a partir de emulsificantes iónicos que

al disociarse en el agua, el glóbulo queda

rodeado de cargas positivas

Los emulsificantes utilizados son jabones

procedentes de la reacción química de ácidos

grasos de cadena larga o resinas, con bases

inorgánicas fuertes como el NaOH.

Los emulsificantes usados son sales originadas

por acción de ácidos minerales, como el HCl,

sobre productos amínicos

Son de reducida aplicación (agregados calizos y

condiciones ambientales muy favorables)

Se adaptan perfectamente a la mayor parte de

los agregados y permiten trabajar en condiciones

abientales menos favorables.

NaRCOOOHRCOONaNaOHRCOOHOH

,2

2

ClRNHClRNHHClRNHOH

,3

322



a) Por el tipo de emulsificante utilizado en su elaboración



b) Por su velocidad de rotura

Rotura es la separación irreversible del asfalto y del agua de la

emulsión. En función de la velocidad de rotura, es decir, de su

mayor o menor facilidad para romper el equilibrio de las

emulsiones cuando se enfrentan con los agregados pétreos, se

subdividen en:

-De rotura rápida (ARR-CRR)

-De rotura media (ARM - CRM)

-De rotura lenta (ARL - CRL)

La obtención de una u otra se logra en función del tipo y de la

cantidad de emulsificante empleado


Beneficios de su aplicación

En la mayoría de los casos se puede utilizar sin calentamiento

alguno y no requieren solventes de petróleo para su

fluidificación

Previenen la contaminación ambiental, porque las emisiones

de productos hidrocarbonados son nulas o muy pequeñas

Tienen capacidad para envolver agregados pétreos húmedos

Se pueden formular para satisfacer múltiples requisitos de

diseño y construcción

No se presentan riesgos de incendio durante su manejo y

aplicación


ENSAYOS PARA CLASIFICAR

LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS

ENSAYOS DE CALIDAD EN CUANTO A SU

FABRICACIÓN

pH

Carga de partículas

Contenido de agua

Destilación

Estabilidad al almacenamiento

Tamizado

Potencial de hidrógeno (pH) (INV E-768)

Determina el grado de acidez o alcalinidad de la fase acuosa,

indicando el tipo de emulsión, ya que las catiónicas son ácidas

(pH < 7) y las aniónicas son alcalinas (pH >7)



Ensayo de carga eléctrica de

partículas (INV E-767)

Se realiza para identificar la

polaridad de los glóbulos de

asfalto de la emulsión, teniendo

carga eléctrica negativa las

aniónicas y positiva las catiónicas

Se aplica una carga de 8

miliamperios y los glóbulos se

dirigen hacia el lado que presente

carga contraria a la del

emulsificante que ellos tienen




Es un procedimiento rápido para

conocer la concentración del ligante en

una emulsión asfáltica

Se coloca en un matraz una determinada

cantidad de emulsión con un disolvente no

miscible con el agua, sometiéndola a

calentamiento

El agua y el disolvente se destilan

condensándose en un refrigerante, del cual

caen a un colector graduado donde se

puede leer la cantidad de agua que

contenía la emulsión



Destilación (INV E-762)

Permite obtener el contenido

de agua y disolventes que

presenta la emulsión al

calentarla a 260° C

El residuo se recupera para

realizar sobre él pruebas de

penetración, ductilidad y

solubilidad, para saber cómo

ha afectado al cemento

asfáltico el calentamiento



Estabilidad en almacenamiento (INV E-764)

Ayuda a conocer la homogeneidad que presenta la emulsión al

ser almacenada durante largo tiempo y consiste en dejar reposar

durante 5 días el producto y determinar la concentración de

asfalto en él, en diferentes alturas del depósito



Tamizado (INV E-765)

Su finalidad es determinar si

la emulsión contiene grumos de

asfalto coagulado que puedan

entorpecer el funcionamiento de

los distribuidores de presión de

los carrotanques

La prueba se realiza

determinando el residuo que se

retiene en el tamiz # 20





ENSAYOS DE CALIDAD EN CUANTO A SU

APLICACIÓN

Viscosidad

Demulsibilidad

Mezcla con cemento

Resistencia a la acción del agua (adhesividad)

Viscosidad Saybolt – Furol (INV E-763)

Mide la consistencia de la emulsión, dando una idea de su

manejabilidad y de su comportamiento a las temperaturas

utilizadas durante la construcción

Se determina el tiempo que tardan en salir del viscosímetro

60 cm3 de emulsión a la temperatura especificada



Rotura

a) Demulsibilidad (INV E-766)

Se aplica a las emulsiones catiónicas de rotura

rápida para determinar su estabilidad al enfrentarse

con los agregados

La emulsión se somete a adiciones de una solución

al 0.8% de dioctilsulfosuccinato sódico para

provocar su rotura, tamizándola posteriormente por

el tamiz # 14, determinando el residuo retenido en

dicho tamiz



Rotura

b) Mezcla con cemento (INV E-770)

Tiene por objeto fijar una condición de mínima

estabilidad para las emulsiones de rotura lenta en

mezclas con agregados que contengan una elevada

proporción de finos

Se diluye la emulsión al 55% y se mezclan 100 cm3

de ella con 50 gramos de cemento, determinando la

cantidad de mezcla que no pasa el tamiz # 14



Recubrimiento del agregado y resistencia al

desplazamiento (INV E-769)

Sirve para determinar la capacidad de la emulsión

para envolver el agregado, para soportar el mezclado

sin que se rompa la película formada y para resistir la

acción de lavado del agua después de completado el

mezclado

Aunque la prueba se puede realizar con cualquier

emulsión, solamente está especificada para emulsiones

de rotura media




Especificaciones del Instituto Nacional de Vías para emulsiones asfálticas catiónicas

TIPOS DE EMULSIONES

ROTURA RAPIDA ROTURA

MEDIA

ROTURA LENTA

CRR - 1 CRR - 2 CRM CRL - 0 CRL - 1 CRL - 1h

1. ENSAYO SOBRE EMULSION Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx

Viscosidad E-763

· Saybolt Furol a 25° C Seg - - - - - - - 50 - 200 - 100

· Saybolt Furol a 50° C Seg 20 100 20 300 20 400 - - - - - -

Contenido de agua en volumen % E-761 - 40 - 35 - 35 - 50 - 43 - 43

· Sedimentación a los 7 días % E-764

-

5

-

5

-

5

-

10

-

5

-

5

Destilación: Contenido de Asfalto Residual % E-762 60

-

65

-

60

-

40

-

57

-

57

-· Contenido de disolventes % - 3 - 3 - 12 10 20 - - - 0

Tamizado: Retenido T 20 (850 m) E-765

-

0.1

-

0.1

-

0.1

-

0.1

-

0.1

-

.1

Rotura: Dioctilsulfosuccinato sódico % E-766 40

-

40

- - - - - - - - -· Mezcla con cemento % E-770 - - - - -

-

- - - - - 2

Carga Partícula E-767 POSITIVA POSITIVA POSITIVA POSITIVA POSITIVA POSITIVA

pH E-768 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6


desplazamiento

· Con agregado seco

E-769

- - - -

Buena

- - - - - -· y acción del agua Satisfactoria

· Con agregado húmedo - - - - Satisfactoria - - - - - -

· Con agregado húmedo y acción del agua - - - - Satisfactoria - - - - - -

2. ENSAYOS SOBRE RESIDUO DE

ESTILACIONPenetración (25oC,100gr,5seg)

0.1 mm.

E-706 60

100100

250

60

100100

250100 250 200 300 60

100

100

25060 100

Ductilidad (25oC,5cm/m) cm. E-702 40 - 40 - 40 - 40 - 40 - 40 -

Solubilidad en tricloroetileno % E-713 97 - 97 - 97 - 97 - 97 - 97 -



MODIFICADAS

EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS

Las ventajas de los asfaltos modificados son aplicables

al ligante residual de las emulsiones modificadas

La modificación se logra de dos maneras:

— Añadiendo látex a la fase acuosa y empleando un

cemento asfáltico convencional. Es una dispersión de

látex en medio de la emulsión

— Elaborando la emulsión con betunes previamente

modificados con polímeros. El grado de modificación

es mayor que el obtenido con látex, a igualdad de

contenido de polímero

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS


Ensayos sobre emulsiones modificadas

Son los mismos que para emulsiones convencionales,

puesto que no debe haber diferencias apreciables en las

características, por el hecho de que el ligante esté modificado

Las diferencias se presentan en el ensayo para obtener el

residuo, el cual no se puede obtener por destilación, sino por

evaporación (INV E-771), puesto que el polímero pudiera

degradarse a las altas temperaturas alcanzadas durante el

proceso de destilación

El ensayo de solubilidad no se incluye, puesto que ciertos

polímeros pueden presentar problemas por no ser solubles o

por la dificultad en conseguir la solubilización

Ensayos sobre emulsiones modificadas (cont.)

Como ensayos adicionales sobre el residuo se incorporan:

—Punto de ablandamiento, el cual permite conocer el

comportamiento del ligante a alta temperatura y

comprobar la modificación del mismo

—Ductilidad a 5°C, el cual permite conocer el

comportamiento del ligante a baja temperaturas

—Recuperación elástica, el cual se incluye para medir la

elasticidad del ligante modificado

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS



ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LAS

EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS CON POLÍMEROS

TIPOS DE EMULSIONES

Norm

a de ROTURA RÁPIDA R. MEDIA R. LENTA

ensay

oCRR-1m CRR-2m CRMm CRL-1hm

1. ENSAYOS SOBRE EMULSIÓN INV Mín

.

Má

x.

Mín

.

Má

x.

Mín

.

Má

x.

Mín

.

Má

x.Viscosidad Saybolt Furol E-763

a 25ºC s 100

a 50ºC s 20 100 20 300 20 450

Contenido de agua en volumen % E-761 - 40 - 35 - 35 - 43

Estabilidad almacenamiento E-764

Sedimentación a los 7 días % - 5 - 5 - 5 - 5

Destilación E-762

Contenido de asfalto residual % 60 - 65 - 60 - 57 -

Contenido de disolventes % - 3 - 3 - 12 - 0

Tamizado E-765

Retenido en tamiz nº 20 (850 m) % - 0.1 - 0.1 - 0.1 - 0.1

Rotura

Dioctilsulfosuccinato sódico % E-766 40 - 40 - - - - -

Mezcla con cemento % E-770 - - - - - - - 2

Carga partícula E-767 Positiva Positiva Positiva Positiva

pH E-768 - 6 - 6 - 6 - 6


desplazamiento

E-769

Con agregado seco - - Buena - - - -

Con agregado seco y acción del agua - - Satisfactori

a

- - - -

Con agregado húmedo - - Satisfactori

a

- - - -

Con agregado húmedo y acción del agua - - Satisfactori

a

- - - -

2. ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE EVAPORACIÓN E-771

Penetración (25ºC, 100 g, 5 s) 0.1m

mE-706 60

100100250

60100

100250

100 250 60 100

Punto de ablandamiento ºC E-712 5545 -

-

5545 -

-

40 - 5545 -

-Ductilidad (5ºC, 5 cm/min) cm E-702 10 - 10 - 10 - 10 -

Recuperación elástica por torsión 25ºC % E-727 12 - 12 - 12 - 12 -


ASFALTO LÍQUIDO PARA

RIEGOS DE IMPRIMACIÓN

ASFALTO LÍQUIDO PARA IMPRIMACIÓN

A pesar de la limitación en el uso de los asfaltos líquidos

por razones ambientales, las especificaciones del INVÍAS

contemplan el uso del MC 30, específicamente para riegos de

imprimación, dado que se considera que su comportamiento

es mejor que el de las emulsiones asfálticas destinadas al

mismo uso

La denominación MC se refiere al tipo de solvente

involucrado en el asfalto (kerosén)

El símbolo numérico (30) se refiere a la viscosidad

cinemática mínima, en centistokes, que debe presentar el

producto a 60ºC. La viscosidad máxima admisible

corresponde al doble del valor de identificación del asfalto

ASFALTO LÍQUIDO PARA IMPRIMACIÓN

ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS

ASFALTOS LÍQUIDOS PARA RIEGOS DE IMPRIMACIÓN

mÓdulo 8: ligantes bituminosos - fernando sÁnchez sabogal

Engineering