Divisioacuten de Estudios de Posgrado e Investigacioacuten

ldquoOBTENCIOacuteN DE MEZCLAS DE ASFALTO MODIFICADO CON SEBS Y NANOARCILLArdquo

TESIS

Para obtener el grado de

Maestro en Ciencias en Ingenieriacutea Quiacutemica

Presenta

IQ Samuel Zapieacuten Castillo G13073001

Director de Tesis

Dr Joseacute Luis Rivera Armenta

Co-Director de Tesis

MP Mariacutea Yolanda Chaacutevez Cinco

Cd Madero Tamaulipas Meacutexico Marzo 2015

IacuteNDICE

- iii -

Iacutendice de Contenido

RESUMEN viii

ABSTRACT ix

INTRODUCCIOacuteN 14

CAPIacuteTULO I MARCO TEOacuteRICO 18

11 Antecedentes 19

12 Generalidades del asfalto 24

121 Caracteriacutesticas generales del asfalto 24

122 Composicioacuten fiacutesica y quiacutemica del asfalto 29

123 Propoacutesito de la modificacioacuten de asfalto 34

124 Fallas comunes en las carpetas asfaacutelticas 36

13 Generalidades sobre el copoliacutemero SBS 38

131 Elastoacutemeros termoplaacutesticos 38

132 Copoliacutemeros en bloque de estireno 40

14 Generalidades sobre las nanoarcillas 44

141 El papel de las arcillas en la nanociencia 44

142 Nanocompositos polimeacutericos 47

15 Generalidades sobre reologiacutea 49

CAPIacuteTULO II METODOLOGIacuteA 55

21 Materiales 56

211 Materiales y reactivos 56

22 Procedimiento de preparacioacuten de materiales 60

221 Preparacioacuten de las mezclas de asfalto modificado 60

222 Preparacioacuten del composito SEBSnanoarcilla 62

23 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 62

IacuteNDICE

- iv -

231 Difraccioacuten de Rayos X 62

232 Viscosidad rotacional 63

233 Temperatura de reblandecimiento 66

234 Penetracioacuten 67

235 Separacioacuten de fases 70

236 Reologiacutea 71

237 Microscopiacutea fluorescente 73

24 Disentildeo de experimentos 74

CAPIacuteTULO III DISCUSIOacuteN DE RESULTADOS 76

31 Preparacioacuten del composito SEBSC15A en la caacutemara de mezclado 77

32 Difraccioacuten de rayos X de los compositos de SEBSC15A 82

33 Viscosidad rotacional 83

34 Temperatura de reblandecimiento 95

35 Penetracioacuten 98

351 Determinacioacuten del iacutendice de penetracioacuten 102

36 Separacioacuten de fases 105

37 Reologiacutea 115

371 Determinacioacuten de la temperatura de falla 121

372 Construccioacuten de curvas maestras 125

38 Microscopiacutea fluorescente 138

CAPIacuteTULO IV CONCLUSIONES 144

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 149

IacuteNDICE

- v -

Iacutendice de Figuras

Figura 11 Esquema general del fraccionamiento del petroacuteleo crudo 26

Figura 12 Representacioacuten de una moleacutecula asfaacuteltica promedio 30

Figura 13 Clasificacioacuten de los componentes del asfalto 32

Figura 14 Estructura micelar del asfalto 33

Figura 15 (a) Deformaciones permanentes a altas temperaturas o roderas (b) agrietamiento por fatiga

a bajas temperaturas 38

Figura 16 (a) Deformacioacuten plaacutestica o permanente (b) deformacioacuten elaacutestica 39

Figura 17 Copoliacutemeros en bloque de estireno 41

Figura 18 Estructuras del SBS (insaturado) y SEBS (saturado) 42

Figura 19 Estructura baacutesica de la montmorillonita 45

Figura 110 Dispersioacuten (a) intercalada o (b) exfoliada de una nanoarcilla inmersa en una matriz de

asfalto 46

Figura 111 Modificacioacuten de la estructura laminar de una arcilla por medio de intercambio ioacutenico 46

Figura 112 Estructura de un PNC dispersado de manera convencional intercalada o exfoliada 48

Figura 113 (a) Respuesta elaacutestica propia de periodos cortos o a frecuencias altas (b) respuesta de tipo

fluido dada a frecuencias bajas o tiempos largos de aplicacioacuten de la carga 51

Figura 114 Valores tiacutepicos del aacutengulo de fase seguacuten la identidad viscoelaacutestica del material 53

Figura 115 Analogiacutea para el moacutedulo elaacutestico o de almacenamiento (Grsquo) y el moacutedulo viscoso o de peacuterdida

(Grsquorsquo) 54

Figura 21 Estructuras de los agentes modificadores de diversas arcillas montmorillonitas comerciales

59

Figura 22 Metodologiacutea empleada para la preparacioacuten de las mezclas de asfalto modificado con SEBS

y nanoarcilla 61

Figura 23 (a) Sistema de calentamiento con control digital de temperatura (b) agitador mecaacutenico

utilizado para incorporar los modificadores del asfalto (c) muestras tomadas para caracterizar la mezcla

61

Figura 24 Caacutemara de mezclado empleada en la preparacioacuten del composito 62

Figura 25 Vista transversal del montaje de un viscosiacutemetro rotacional 64

IacuteNDICE

- iii -

Iacutendice de Contenido

RESUMEN viii

ABSTRACT ix

INTRODUCCIOacuteN 14

CAPIacuteTULO I MARCO TEOacuteRICO 18

11 Antecedentes 19

12 Generalidades del asfalto 24

121 Caracteriacutesticas generales del asfalto 24

122 Composicioacuten fiacutesica y quiacutemica del asfalto 29

123 Propoacutesito de la modificacioacuten de asfalto 34

124 Fallas comunes en las carpetas asfaacutelticas 36

13 Generalidades sobre el copoliacutemero SBS 38

131 Elastoacutemeros termoplaacutesticos 38

132 Copoliacutemeros en bloque de estireno 40

14 Generalidades sobre las nanoarcillas 44

141 El papel de las arcillas en la nanociencia 44

142 Nanocompositos polimeacutericos 47

15 Generalidades sobre reologiacutea 49

CAPIacuteTULO II METODOLOGIacuteA 55

21 Materiales 56

211 Materiales y reactivos 56

22 Procedimiento de preparacioacuten de materiales 60

221 Preparacioacuten de las mezclas de asfalto modificado 60

222 Preparacioacuten del composito SEBSnanoarcilla 62

23 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 62

IacuteNDICE

- iv -

231 Difraccioacuten de Rayos X 62

232 Viscosidad rotacional 63

233 Temperatura de reblandecimiento 66

234 Penetracioacuten 67

235 Separacioacuten de fases 70

236 Reologiacutea 71

237 Microscopiacutea fluorescente 73

24 Disentildeo de experimentos 74

CAPIacuteTULO III DISCUSIOacuteN DE RESULTADOS 76

31 Preparacioacuten del composito SEBSC15A en la caacutemara de mezclado 77

32 Difraccioacuten de rayos X de los compositos de SEBSC15A 82

33 Viscosidad rotacional 83

34 Temperatura de reblandecimiento 95

35 Penetracioacuten 98

351 Determinacioacuten del iacutendice de penetracioacuten 102

36 Separacioacuten de fases 105

37 Reologiacutea 115

371 Determinacioacuten de la temperatura de falla 121

372 Construccioacuten de curvas maestras 125

38 Microscopiacutea fluorescente 138

CAPIacuteTULO IV CONCLUSIONES 144

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 149

IacuteNDICE

- v -

Iacutendice de Figuras

Figura 11 Esquema general del fraccionamiento del petroacuteleo crudo 26

Figura 12 Representacioacuten de una moleacutecula asfaacuteltica promedio 30

Figura 13 Clasificacioacuten de los componentes del asfalto 32

Figura 14 Estructura micelar del asfalto 33

Figura 15 (a) Deformaciones permanentes a altas temperaturas o roderas (b) agrietamiento por fatiga

a bajas temperaturas 38

Figura 16 (a) Deformacioacuten plaacutestica o permanente (b) deformacioacuten elaacutestica 39

Figura 17 Copoliacutemeros en bloque de estireno 41

Figura 18 Estructuras del SBS (insaturado) y SEBS (saturado) 42

Figura 19 Estructura baacutesica de la montmorillonita 45

Figura 110 Dispersioacuten (a) intercalada o (b) exfoliada de una nanoarcilla inmersa en una matriz de

asfalto 46

Figura 111 Modificacioacuten de la estructura laminar de una arcilla por medio de intercambio ioacutenico 46

Figura 112 Estructura de un PNC dispersado de manera convencional intercalada o exfoliada 48

Figura 113 (a) Respuesta elaacutestica propia de periodos cortos o a frecuencias altas (b) respuesta de tipo

fluido dada a frecuencias bajas o tiempos largos de aplicacioacuten de la carga 51

Figura 114 Valores tiacutepicos del aacutengulo de fase seguacuten la identidad viscoelaacutestica del material 53

Figura 115 Analogiacutea para el moacutedulo elaacutestico o de almacenamiento (Grsquo) y el moacutedulo viscoso o de peacuterdida

(Grsquorsquo) 54

Figura 21 Estructuras de los agentes modificadores de diversas arcillas montmorillonitas comerciales

59

Figura 22 Metodologiacutea empleada para la preparacioacuten de las mezclas de asfalto modificado con SEBS

y nanoarcilla 61

Figura 23 (a) Sistema de calentamiento con control digital de temperatura (b) agitador mecaacutenico

utilizado para incorporar los modificadores del asfalto (c) muestras tomadas para caracterizar la mezcla

61

Figura 24 Caacutemara de mezclado empleada en la preparacioacuten del composito 62

Figura 25 Vista transversal del montaje de un viscosiacutemetro rotacional 64

IacuteNDICE

- iv -

231 Difraccioacuten de Rayos X 62

232 Viscosidad rotacional 63

233 Temperatura de reblandecimiento 66

234 Penetracioacuten 67

235 Separacioacuten de fases 70

236 Reologiacutea 71

237 Microscopiacutea fluorescente 73

24 Disentildeo de experimentos 74

CAPIacuteTULO III DISCUSIOacuteN DE RESULTADOS 76

31 Preparacioacuten del composito SEBSC15A en la caacutemara de mezclado 77

32 Difraccioacuten de rayos X de los compositos de SEBSC15A 82

33 Viscosidad rotacional 83

34 Temperatura de reblandecimiento 95

35 Penetracioacuten 98

351 Determinacioacuten del iacutendice de penetracioacuten 102

36 Separacioacuten de fases 105

37 Reologiacutea 115

371 Determinacioacuten de la temperatura de falla 121

372 Construccioacuten de curvas maestras 125

38 Microscopiacutea fluorescente 138

CAPIacuteTULO IV CONCLUSIONES 144

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 149

IacuteNDICE

- v -

Iacutendice de Figuras

Figura 11 Esquema general del fraccionamiento del petroacuteleo crudo 26

Figura 12 Representacioacuten de una moleacutecula asfaacuteltica promedio 30

Figura 13 Clasificacioacuten de los componentes del asfalto 32

Figura 14 Estructura micelar del asfalto 33

Figura 15 (a) Deformaciones permanentes a altas temperaturas o roderas (b) agrietamiento por fatiga

a bajas temperaturas 38

Figura 16 (a) Deformacioacuten plaacutestica o permanente (b) deformacioacuten elaacutestica 39

Figura 17 Copoliacutemeros en bloque de estireno 41

Figura 18 Estructuras del SBS (insaturado) y SEBS (saturado) 42

Figura 19 Estructura baacutesica de la montmorillonita 45

Figura 110 Dispersioacuten (a) intercalada o (b) exfoliada de una nanoarcilla inmersa en una matriz de

asfalto 46

Figura 111 Modificacioacuten de la estructura laminar de una arcilla por medio de intercambio ioacutenico 46

Figura 112 Estructura de un PNC dispersado de manera convencional intercalada o exfoliada 48

Figura 113 (a) Respuesta elaacutestica propia de periodos cortos o a frecuencias altas (b) respuesta de tipo

fluido dada a frecuencias bajas o tiempos largos de aplicacioacuten de la carga 51

Figura 114 Valores tiacutepicos del aacutengulo de fase seguacuten la identidad viscoelaacutestica del material 53

Figura 115 Analogiacutea para el moacutedulo elaacutestico o de almacenamiento (Grsquo) y el moacutedulo viscoso o de peacuterdida

(Grsquorsquo) 54

Figura 21 Estructuras de los agentes modificadores de diversas arcillas montmorillonitas comerciales

59

Figura 22 Metodologiacutea empleada para la preparacioacuten de las mezclas de asfalto modificado con SEBS

y nanoarcilla 61

Figura 23 (a) Sistema de calentamiento con control digital de temperatura (b) agitador mecaacutenico

utilizado para incorporar los modificadores del asfalto (c) muestras tomadas para caracterizar la mezcla

61

Figura 24 Caacutemara de mezclado empleada en la preparacioacuten del composito 62

Figura 25 Vista transversal del montaje de un viscosiacutemetro rotacional 64

IacuteNDICE

- v -

Iacutendice de Figuras

Figura 11 Esquema general del fraccionamiento del petroacuteleo crudo 26

Figura 12 Representacioacuten de una moleacutecula asfaacuteltica promedio 30

Figura 13 Clasificacioacuten de los componentes del asfalto 32

Figura 14 Estructura micelar del asfalto 33

Figura 15 (a) Deformaciones permanentes a altas temperaturas o roderas (b) agrietamiento por fatiga

a bajas temperaturas 38

Figura 16 (a) Deformacioacuten plaacutestica o permanente (b) deformacioacuten elaacutestica 39

Figura 17 Copoliacutemeros en bloque de estireno 41

Figura 18 Estructuras del SBS (insaturado) y SEBS (saturado) 42

Figura 19 Estructura baacutesica de la montmorillonita 45

Figura 110 Dispersioacuten (a) intercalada o (b) exfoliada de una nanoarcilla inmersa en una matriz de

asfalto 46

Figura 111 Modificacioacuten de la estructura laminar de una arcilla por medio de intercambio ioacutenico 46

Figura 112 Estructura de un PNC dispersado de manera convencional intercalada o exfoliada 48

Figura 113 (a) Respuesta elaacutestica propia de periodos cortos o a frecuencias altas (b) respuesta de tipo

fluido dada a frecuencias bajas o tiempos largos de aplicacioacuten de la carga 51

Figura 114 Valores tiacutepicos del aacutengulo de fase seguacuten la identidad viscoelaacutestica del material 53

Figura 115 Analogiacutea para el moacutedulo elaacutestico o de almacenamiento (Grsquo) y el moacutedulo viscoso o de peacuterdida

(Grsquorsquo) 54

Figura 21 Estructuras de los agentes modificadores de diversas arcillas montmorillonitas comerciales

59

Figura 22 Metodologiacutea empleada para la preparacioacuten de las mezclas de asfalto modificado con SEBS

y nanoarcilla 61

Figura 23 (a) Sistema de calentamiento con control digital de temperatura (b) agitador mecaacutenico

utilizado para incorporar los modificadores del asfalto (c) muestras tomadas para caracterizar la mezcla

61

Figura 24 Caacutemara de mezclado empleada en la preparacioacuten del composito 62

Figura 25 Vista transversal del montaje de un viscosiacutemetro rotacional 64

IacuteNDICE

- vi -

Figura 26 (a) Equipo empleado para la determinacioacuten de la viscosidad rotacional de las muestras (b)

spindle 27 y copa porta muestra utilizados para la medicioacuten de dicha propiedad 65

Figura 27 Esquematizacioacuten de los puntos inicial y final de la prueba para la determinacioacuten de la

temperatura de reblandecimiento 67

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la prueba de penetracioacuten 68

Figura 29 Identificacioacuten de los componentes del DSR empleado en el presente proyecto 72

Figura 210 Ciclo de deformacioacuten sinusoidal que ocurre en cada oscilacioacuten de le geometriacutea del DSR

72

Figura 211 Representacioacuten de una muestra observada a traveacutes de un microscopio de fluorescencia

73

Figura 31 Graacutefica del torque (en newton-metro Nm) con respecto al tiempo de mezclado para la

preparacioacuten del composito de relacioacuten 10010 a 190degC y 150 rpm 80

Figura 32 Graacutefica del torque con respecto al tiempo de mezclado para la preparacioacuten del composito de

relacioacuten 10030 a 190degC y 150 rpm 81

Figura 33 Difractograma de rayos X correspondiente a los compositos de relacioacuten 10010 preparados

a 235degC y 190degC respectivamente 83

Figura 34 Viscosidad rotacional de las mezclas a 135degC respecto al porcentaje de modificador y de la

relacioacuten SEBSC15A en el proceso 1 La letra ldquoXrdquo representa el contenido de modificador 84

Figura 35 Viscosidad rotacional a 135degC de las mezclas de asfalto con respecto al porcentaje de

modificador y de la relacioacuten usada SEBSC15A en el proceso 2 86

Figura 36 Viscosidad rotacional a 135degC de las mezclas de asfalto con respecto al porcentaje de

modificador y de la relacioacuten usada SEBSC15A en el proceso 3 de modificacioacuten del asfalto 87

Figura 37 Efecto de la relacioacuten SEBSC15A en la viscosidad de las mezclas con base en el contenido

de modificador y la secuencia de adicioacuten (ldquosrdquo proceso 1 ldquocrdquo proceso 2 ldquonrdquo proceso 3) 88

Figura 38 Viscosidad rotacional medida a 135degC 150degC y 175degC para las muestras preparadas

mediante los procesos 2 y 3 utilizando (a) 3 (b) 4 y (c) 6 de modificador 91

Figura 39 Resultados de la prueba de penetracioacuten en funcioacuten al porcentaje de modificador adicionado

y del proceso de mezclado La ldquoXrdquo representa el porcentaje de modificacioacuten 101

Figura 310 Muestras de las regiones superior e inferior del tubo de la prueba de separacioacuten de fases

de la mezcla 600 108

Figura 311 Muestras tomadas de las regiones superior e inferior del tubo de la prueba de separacioacuten

de fases de la mezcla 310-n 111

IacuteNDICE

- vii -

Figura 312 (a) Representacioacuten de la propensioacuten al envejecimiento del asfalto puro (b) esquematizacioacuten

del mecanismo antienvejecimiento en asfaltos modificados con nanomateriales 114

Figura 313 Graacuteficas isocroacutenicas de G en funcioacuten de la temperatura de las muestras (a) modificadas

solo con SEBS o bajo el esquema de mezclado 2 (b) modificadas mediante el proceso 3 116

Figura 314 Graacuteficas isocroacutenicas de tanδ en funcioacuten de la temperatura de las muestras (a) modificadas

solo con SEBS o bajo el esquema de mezclado 2 (b) modificadas mediante el proceso 3 119

Figura 315 Gsenδ con respecto a la temperatura a 10 rads para las muestras (a) modificadas solo

con SEBS o mediante el proceso 2 y (b) modificadas a traveacutes del proceso 3 122

Figura 316 Graacutefica a escala bilogariacutetmica del comportamiento del moacutedulo viscoso de la muestra de

asfalto modificado identificada como 310-n en funcioacuten de la frecuencia y de la temperatura 127

Figura 317 Efecto de la multiplicacioacuten de la frecuencia por el factor de transposicioacuten en la curva del

moacutedulo viscoso de la muestra 310-n a 58degC 128

Figura 318 Curva maestra de Grsquorsquo para la muestra 310-n con una temperatura de referencia de 52degC

131

Figura 319 Curvas maestras de G para el asfalto modificado al 3 (Tr = 52degC) 132

Figura 320 Curvas maestras de G para el asfalto modificado al 4 (Tr = 52degC) 132

Figura 321 Curvas maestras de G para el asfalto modificado al 6 (Tr = 52degC) 133

Figura 322 Graacutefica de las curvas maestras del moacutedulo elaacutestico Grsquo de las muestras de asfalto modificado

con nanocomposito SEBSC15A de relacioacuten 10010 (Tr = 52degC) 135

Figura 323 Graacutefica de las curvas maestras del moacutedulo viscoso Grsquorsquo de las muestras de asfalto modificado

con nanocomposito SEBSC15A de relacioacuten 10010 (Tr = 52degC) 136

Figura 324 Graacutefica de las curvas maestras del aacutengulo de fase δ de las muestras de asfalto modificado

con nanocomposito de SEBSC15A de relacioacuten 10010 (Tr = 52degC) 136

Figura 325 Micrografiacuteas de fluorescencia de asfalto modificado con 3 (a) 10010 proceso 2 (b)

10010 proceso 3 (c) 10030 proceso 2 y (d) 10030 proceso 3 Aumento 20x 141

Figura 326 Micrografiacuteas de fluorescencia de asfalto modificado con 4 (a) 10010 proceso 2 (b)

10010 proceso 3 (c) 10030 proceso 2 y (d) 10030 proceso 3 Aumento 20x 142

Figura 327 Micrografiacuteas de fluorescencia de asfalto modificado con 6 (a) 10010 proceso 2 (b)

10010 proceso 3 (c) 10030 proceso 2 y (d) 10030 proceso 3 Aumento 20x 143

IacuteNDICE

- viii -

Iacutendice de Tablas

Tabla 21 Caracteriacutesticas de calidad para asfaltos de diversos grados seguacuten la SCT 56

Tabla 22 Propiedades del asfalto virgen AC-20 utilizado en el proyecto de investigacioacuten 57

Tabla 23 Caracteriacutesticas del poliacutemero utilizado en el proyecto de investigacioacuten 58

Tabla 24 Comparacioacuten de algunas arcillas montmorillonitas comerciales 59

Tabla 25 Matriz experimental de muestras de asfalto modificado 75

Tabla 31 Datos y resultados de los caacutelculos para la preparacioacuten de los compositos SEBSC15A 78

Tabla 32 Iacutendice de modificacioacuten de la viscosidad rotacional a 135degC de todas las mezclas de asfalto

modificado con base en la viscosidad del asfalto puro 93

Tabla 33 Valores de temperatura de reblandecimiento (Treb) de las muestras de asfalto modificado e

iacutendices de modificacioacuten con respecto al asfalto virgen 96

Tabla 34 Valores de penetracioacuten de las muestras de asfalto modificado evaluada a 25degC durante 5 s

con una masa de 100g Se adjunta tambieacuten el iacutendice de modificacioacuten con respecto al asfalto virgen 99

Tabla 35 Valores del iacutendice de penetracioacuten de las muestras de asfalto calculadas con base en los

resultados de las pruebas de temperatura de reblandecimiento y penetracioacuten mediante la ecuacioacuten 22

103

Tabla 36 Estabilidad al almacenamiento a altas temperaturas de asfalto modificado con SEBS (sin

C15A) 106

Tabla 37 Estabilidad al almacenamiento a altas temperaturas de asfalto modificado con

nanocompositos SEBSC15A (proceso 3) 110

Tabla 38 Temperatura de falla de las muestras modificadas por medio de los procesos 2 y 3 123

Tabla 39 Factores de transposicioacuten propuestos a cada temperatura para transformar la graacutefica de la

figura 316 en una curva maestra 129

IacuteNDICE

- ix -

Iacutendice de Ecuaciones

(11) Iacutendice de inestabilidad coloidal 33

(12) Ley de Hooke 50

(13) Ley de viscosidad de Newton 50

(14) Definicioacuten de moacutedulo complejo 54

(15) Definicioacuten de moacutedulo elaacutestico 54

(16) Definicioacuten de moacutedulo viscoso 54

(17) Definicioacuten de tangente del aacutengulo de fase 54

(21) Ley de Bragg 63

(22) Iacutendice de penetracioacuten 69

(31) Foacutermula para el caacutelculo de la fraccioacuten maacutesica de C15A en el modificador de relacioacuten 10010 77

(32) Foacutermula para el caacutelculo de la fraccioacuten maacutesica de SEBS en los modificadores 77

(33) Foacutermula para la determinacioacuten de la masa de C15A para la formulacioacuten de los modificadores

compuestos 77

(34) Foacutermula para la determinacioacuten de la masa de SEBS para la formulacioacuten de los modificadores

compuestos 77

(35) Obtencioacuten del volumen de C15A en funcioacuten a su masa y densidad 77

(36) Obtencioacuten del volumen de SEBS en funcioacuten a su masa y densidad 77

(37) Caacutelculo del factor de llenado de la caacutemara de mezclado 77

(38) Foacutermula para el caacutelculo de la fraccioacuten maacutesica de C15A en el modificador de relacioacuten 10030 78

(39) Razoacuten de cambio del torque de la caacutemara de mezclado respecto al tiempo 80

(310) Iacutendice de modificacioacuten 92

(311) Ley de Stokes 107

(312) Densidad a la temperatura final en funcioacuten del coeficiente de expansioacuten teacutermica 107

(313) Ecuacioacuten Williams-Landel-Ferrel para el factor de transposicioacuten en curvas maestras 126

(314) Ecuacioacuten Williams-Landel-Ferrel presentada en el formato de la ecuacioacuten de una liacutenea recta en

su forma simeacutetrica 129

RESUMEN

- x -

Resumen

Aproximadamente toda la produccioacuten mundial de asfalto se destina para la

construccioacuten de viacuteas pavimentadas El pavimento asfaacuteltico se compone baacutesicamente de dos

constituyentes un agregado de partiacuteculas minerales y un aglutinante asfaacuteltico que une el

agregado mineral y lo protege de la accioacuten de agentes nocivos Al principio de la construccioacuten

de caminos pavimentados el asfalto convencional fue suficiente para cumplir con este

propoacutesito pero a medida que el volumen del traacutefico se incrementoacute y los problemas ambientales

se intensificaron los caminos preparados utilizando solo asfalto como aglutinante fueron

perdiendo su integridad maacutes prematuramente Como consecuencia de ello se han conducido

investigaciones con el propoacutesito de encontrar elementos modificadores del comportamiento

del asfalto que promuevan su durabilidad mejoren su desempentildeo en intervalos maacutes amplios

de condiciones climaacuteticas le confieran mayor resistencia mecaacutenica y que reduzcan su

susceptibilidad teacutermica

En este estudio se prepararon compositos formados por un copoliacutemero en bloque de

estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS) y la nanoarcilla montmorillonita a diferentes

proporciones maacutesicas SEBSnanoarcilla por medio de una teacutecnica de mezclado en caliente

Los compositos se aplicaron en la obtencioacuten de mezclas de asfalto modificado con 3 4 y

6 en masa de aditivo Se corroboroacute la pertinencia de las condiciones propuestas para la

formacioacuten del composito por medio de la teacutecnica de difraccioacuten de rayos X cuyos resultados

sugieren que la preparacioacuten presenta las caracteriacutesticas propias de un nanocomposito

exfoliado cuando el proceso de mezclado se realiza a una temperatura de 190degC

La incorporacioacuten de los nanocompositos como agentes modificadores de asfalto

condujo al aumento de todas las propiedades fiacutesicas reoloacutegicas y de estabilidad que se

evaluaron en las mezclas resultantes con respecto a las caracteriacutesticas tanto del asfalto sin

modificar como del asfalto modificado solo con poliacutemero La viscosidad y la temperatura de

reblandecimiento se incrementaron lo cual se interpreta como una mejoriacutea en el efecto de

resistencia del asfalto y de las propiedades del mismo a altas temperaturas Adicionalmente

las muestras modificadas con nanocompositos demostraron ser maacutes estables al

almacenamiento que las modificadas solo con SEBS lo cual confirma que la introduccioacuten de

la nanoarcilla permite superar el problema de la separacioacuten de fases En teacuterminos de

caracteriacutesticas reoloacutegicas las muestras en las cuales se introdujeron nanocompositos

RESUMEN

- xi -

alcanzaron los valores maacutes altos de moacutedulo complejo lo cual indica que el asfalto modificado

mediante este proceso tiene una naturaleza maacutes elaacutestica que el asfalto original De igual

forma se obtuvieron excelentes temperaturas de falla lo cual sustenta el hecho de que las

mezclas tendraacuten mejor comportamiento a altas temperaturas

La visioacuten global de los resultados del proyecto permite concluir que esta propuesta de

meacutetodos y materiales es absolutamente funcional y efectiva no solo por las mejoras incurridas

sobre las propiedades del asfalto original sino ademaacutes porque al comparar estos resultados

con los publicados en artiacuteculos de divulgacioacuten cientiacutefica se evidencia que las proporciones de

los aumentos de las propiedades evaluadas se encuentran al nivel o por encima de los

resultados de investigaciones efectuadas por connotados cientiacuteficos en este campo de estudio

ABSTRACT

- xii -

Abstract

Almost all the worldwide production of asphalt is destined for road pavement

construction Two constituents compose concrete asphalt an asphalt binder and an aggregate

of mineral particles The function of the asphalt is to bend the mineral aggregate while

protecting it from water and other harmful agents thus the properties and nature of this binder

are closely related to the pavement performance Initially pure conventional asphalt was good

enough for this purpose but more recently as the traffic load increased and the environmental

factors worsened road pavements prepared just with pure asphalt became useless more

rapidly than before Consequently there were conducted some studies aiming to find elements

to modify the asphalt behavior in order to promote its durability to improve its performance in

a wider interval of weather conditions and to give it better mechanical resistance Polymers

were extensively used as modifiers because they are capable of transferring their properties to

the asphalt for example it was observed a greater rutting fatigue and cracking resistance on

the polymer-modified binders as well as an important reduction of its thermal susceptibility

Styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) block copolymer and montmorillonite

nanoclay composites were prepared through a melt mixing technique at different

SEBSnanoclay mass ratios for asphalt modification Asphalt binder blends with 3 4 and

6 of SEBSnanoclay modifier were obtained by means of a high shear mixer Then there

were performed analyses by X-ray diffraction in order to determine if the conditions employed

to prepare the nanocomposites were appropriate This technique also revealed that when

prepared at 190degC nanocomposites showed an exfoliated dispersion pattern

The asphalt binderrsquos modification process using nanocomposites resulted in a great

enhancement of its physical and rheological properties as well as in an improvement of its

storage stability regarding both the original binder and the one modified just by SEBS The

viscosity and softening temperature of modified binder raised up implying that its high-

temperature properties and thermal resistance increased In addition nanocomposite-modified

binder proved to be more storage-stable than that modified exclusively by SEBS This find

confirmed that nanoclay is actually lowering the phase segregation problem that had place

when modification was performed using just polymers Asphalt showed a better rheological

behavior when nanocomposites were used as modifying agents This condition evidenced by

greater values of complex modulus means that the binderrsquos elastic nature increased It was

ABSTRACT

- xiii -

also demonstrated that the failure temperature was adequate for all samples ratifying that high-

temperature properties of asphalt were certainly enhanced

The general balance of the project reinforces the conclusion that the experimental

methods proposed through this research are functional and efficient This conclusion was

drawn not only because of the improved properties of the resulting asphalt but also because

when they were compared with data available on scientific research papers it was clear that

they are at least as good as the results of studies conducted by some of the most prestigious

researchers on the field of the asphalt modification technology

INTRODUCCIOacuteN

14

Introduccioacuten

Casi la totalidad del asfalto producido aproximadamente un 95 de este

encuentra su aplicacioacuten final en la construccioacuten de pavimentos (Didier 2009) Para

fines praacutecticos el concreto asfaacuteltico que es el material con el cual se construyen las

viacuteas pavimentadas de traacutensito presenta dos constituyentes elementales el asfalto y

un agregado de partiacuteculas minerales conformado por rocas de granito sometidas a

diferentes procesos de reduccioacuten de tamantildeo (Paul y col 2003) La utilidad del asfalto

dentro de la constitucioacuten del pavimento es la de fungir como un agente que cohesione

el agregado de partiacuteculas minerales con las que se preparan las carpetas de

pavimentacioacuten al revestir el agregado mineral y unir dichas partiacuteculas se favorece la

generacioacuten de una mezcla densa e impermeable al agua lo cual es altamente

deseable en los pavimentos carreteros La calidad de servicio de esta mezcla de

asfalto se ve afectada tanto por las caracteriacutesticas de cada uno de los materiales

individuales presentes en la mezcla de concreto como por sus interacciones en el

sistema considerado como un todo

Cuando se comenzaron a construir caminos pavimentados en un primer intento por

modernizar las viacuteas de comunicacioacuten entre distintos asentamientos humanos y

mientras las circunstancias asiacute lo permitieron el asfalto puro convencional fue utilizado

satisfactoriamente cubriendo el rol de aglutinante en los sistemas viales pavimentados

pero maacutes tarde las propiedades de los pavimentos construidos de esta forma

resultaron inconvenientes debido a que de forma paralela al incremento del volumen

de traacutensito se hizo evidente la necesidad de dar mantenimiento a las carreteras que

se deterioraban con mayor rapidez en intervalos maacutes cortos de tiempo

Por lo tanto para solventar esta impraacutectica secuencia de mantenimiento y evitar asiacute

accidentes mayores e incluso en un intento de contrarrestar los efectos perjudiciales

que ciertos factores ambientales pueden ejercer sobre el servicio de las carreteras se

han llevado a cabo algunas investigaciones con el objetivo de encontrar elementos

INTRODUCCIOacuteN

15

modificadores del asfalto convencional que mejoren el rendimiento del concreto que

susciten su larga durabilidad que le induzcan a presentar un oacuteptimo desempentildeo en

intervalos maacutes amplios de condiciones ambientales y que le confirieran caracteriacutesticas

mecaacutenicas adecuadas para cumplir con el propoacutesito para el cual se destina En este

sentido el problema de investigacioacuten que se abordoacute en este proyecto surge como

respuesta a la buacutesqueda de sistemas conformados por uno o varios materiales que

sean capaces de transferir sus caracteriacutesticas para mejorar las propiedades finales de

una mezcla asfaacuteltica que pueda ser utilizada como aglutinante en el concreto destinado

a construir vialidades por lo tanto hay que tomar en cuenta el contexto en el que se

han desarrollado recientemente los procesos de modificacioacuten de asfaltos

En principio se introdujo la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico mediante el uso de

poliacutemeros lo cual mostroacute mejoras importantes en el desempentildeo del aglutinante

convencional por ejemplo mayor resistencia a la deformacioacuten y a la fatiga

disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica asiacute como una mayor resistencia a su

desintegracioacuten A pesar de que este tipo de modificacioacuten fue considerado como una

gran innovacioacuten en la tecnologiacutea de la construccioacuten de caminos debido a las ventajas

que aportoacute a las propiedades finales del producto modificado en comparacioacuten al asfalto

original existe una restriccioacuten muy importante al poner en marcha este proceso de

modificacioacuten ya que debe garantizarse la compatibilidad entre el poliacutemero y el asfalto

para minimizar el riesgo de la separacioacuten de fases de la mezcla asfalto-poliacutemero y

mantener asiacute su estabilidad durante el periodo de almacenamiento

Existen estudios recientes sobre la modificacioacuten de poliacutemeros con arcillas minerales

de escalas nanomeacutetricas los cuales han revelado que las nanoarcillas pueden

emplearse como agente para mejorar las propiedades fiacutesicas o mecaacutenicas del

poliacutemero o bien como relleno para reducir la cantidad utilizada del mismo Las

nanoarcillas presentan propiedades muy especiales precisamente debido a sus

dimensiones del orden nanomeacutetrico A pesar de que hay muchos materiales que se

han empleado como modificadores de asfalto los cuales incluyen varias resinas

INTRODUCCIOacuteN

16

hules poliacutemeros azufre complejos metaacutelicos fibras y otros agentes quiacutemicos en antildeos

recientes la nanotecnologiacutea ha alcanzado el campo de la modificacioacuten de asfaltos con

varios tipos de nanomateriales y se han observado resultados que muestran una

mejora significativa en las propiedades fundamentales del material e incluso se han

logrado superar los resultados obtenidos con los meacutetodos claacutesicos de modificacioacuten

Los estudios han conducido a observar propiedades de estabilidad teacutermica pero maacutes

importante auacuten se ha revelado el potencial de las nanoarcillas para conseguir la

estabilidad que la modificacioacuten de asfalto con poliacutemeros no habiacutea sido capaz de

alcanzar

En el presente proyecto de investigacioacuten se obtuvieron mezclas de asfalto

modificado con el copoliacutemero estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS) ademaacutes de la

nanoarcilla Cloisitereg 15A la cual pertenece a la familia de las montmorillonitas

modificadas Esta combinacioacuten de material polimeacuterico y arcilla jamaacutes ha sido reportada

en investigaciones previas a pesar de que tanto el SEBS como la montmorillonita

modificada siacute han sido utilizados exitosamente de forma independiente (solos o

integrados con otros materiales) en la preparacioacuten de mezclas de asfalto modificado

por meacutetodos similares al propuesto en esta tesis Como se discutiraacute con maacutes detalle

en el capiacutetulo III de este trabajo por medio de este estudio se pretende evaluar la

pertinencia de utilizar estos dos materiales como elementos modificadores toda vez

que en las investigaciones donde se han analizado por separado se han encontrado

caracteriacutesticas altamente deseables que pueden ser cedidas al asfalto

Ademaacutes de probar esta nueva propuesta de elementos modificadores se trabajoacute

con la finalidad de manipular otras variables del desarrollo experimental sobre todo

aquellas relacionadas con las cantidades proporcionales de poliacutemero y nanoarcilla que

se emplearon para modificar el asfalto pues de acuerdo con la revisioacuten bibliograacutefica

se ha visto que pequentildeos cambios en las cantidades relativas de modificador en la

mezcla total pueden generar cambios sustanciales en las propiedades globales del

material modificado

INTRODUCCIOacuteN

17

La evaluacioacuten tanto de la eficacia de los materiales planteados como de las

proporciones de modificador sugeridas se pudo realizar por medio de la determinacioacuten

de las propiedades fiacutesicas convencionales del producto modificado entre las que se

encuentran viscosidad rotacional temperatura de reblandecimiento y penetracioacuten asiacute

como la caracterizacioacuten reoloacutegica del material y la determinacioacuten de la estabilidad al

almacenamiento a altas temperaturas por medio de la prueba de separacioacuten de fases

El anaacutelisis e interpretacioacuten de esta informacioacuten junto con la aportada por otras pruebas

de apoyo se puede consultar en la seccioacuten correspondiente a los resultados y

discusioacuten del presente documento

Finalmente se espera que las conclusiones emanadas de esta tesis sirvan como

precedente para que aqueacutellos que se dedican a la aplicacioacuten de la ciencia de los

materiales en el campo de la tecnologiacutea de caminos encuentren un respaldo cientiacutefico

para fundamentar nuevas formas de hacer maacutes eficiente el trabajo en materia vial

CAPIacuteTULO 1

MARCO TEOacuteRICO

MARCO TEOacuteRICO

19

11 Antecedentes

1

La propuesta innovadora de este proyecto radica en el hecho de emplear dos

materiales que de forma separada se han probado como eficaces en la modificacioacuten

de asfaltos pero cuya sinergia no ha sido experimentada por ninguacuten grupo de

investigacioacuten hasta el momento Tradicionalmente los poliacutemeros maacutes ampliamente

utilizados para la modificacioacuten de asfaltos han sido el polietileno (PE) el vinil acetato

de etileno (EVA) y algunos copoliacutemeros de estireno y butadieno siendo el copoliacutemero

estireno-butadieno-estireno (SBS) el de mayor aplicacioacuten para este fin En cuanto al

uso de arcillas la clave radica en encontrar un agente dispersante que sea compatible

tanto con el poliacutemero como con la base de asfalto con la cual se mezcla o bien un

procedimiento asertivo en el propoacutesito de conseguir una completa distribucioacuten del

modificador en la matriz asfaacuteltica aun con ello las nanoarcillas ocupan una posicioacuten

preponderante en la modificacioacuten de asfalto siendo las montmorillonitas

orgaacutenicamente modificadas con sus correspondientes estructuras laminadas las maacutes

extensamente empleadas en estudios de este campo y con las cuales se han logrado

resultados muy importantes A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes

maacutes sobresalientes que han servido como modelo para contrastar los resultados

obtenidos en este proyecto

Fang y col (2013) estructuraron un compendio de nanomateriales aplicados a la

modificacioacuten de asfalto En este sumario de varias investigaciones se resalta que los

nanomateriales se han empleado como modificadores porque su presencia en mezclas

imparte propiedades especiales al producto final En este trabajo se menciona que

algunas de las propiedades maacutes recurrentes que se buscan mejorar del asfalto

convencional son sus caracteriacutesticas de adhesioacuten sensibilidad a la temperatura

propiedades respecto a la friccioacuten resistencia a la oxidacioacuten resistencia al

envejecimiento y aumento de su durabilidad En el compendio se citan algunas de las

combinaciones de materiales utilizadas por diversos investigadores de este campo

entre los cuales destacan

MARCO TEOacuteRICO

20

Yu y Wu quienes usaron SBS y silicatos nanomeacutetricos

Ye Chen Ma y col quienes modificaron asfalto con nanopartiacuteculas de

dioacutexido de silicio dioacutexido de titanio y carbonato de calcio en combinacioacuten

con SBS

Ouyang y col reportan trabajos de modificacioacuten de asfalto para mejorar

la estabilidad teacutermica de este utilizando en diferentes proyectos de

investigacioacuten polietileno de baja densidad y caolinita junto con SBS o

SEBS

Galooyak y col y Jahromi y Khodaii estudiaron la influencia de

montmorillonita y otras nanoarcillas en las propiedades reoloacutegicas de

asfalto modificado con SBS

Kebritchi y col prepararon un composito de poliacutemero con carbonato de

calcio y despueacutes este fue utilizado como modificador de asfalto

Sureshkumar y col utilizaron poliacutemero EVA y un material nano-laminado

para modificar el asfalto

Zare-Shahabadi y col utilizaron bentonita natural y orgaacutenicamente

modificada para modificar asfalto

Ademaacutes del resumen de investigaciones relativas a la modificacioacuten de asfaltos

preparado por Fang y col existen en la literatura de divulgacioacuten cientiacutefica algunas

investigaciones que por su cercaniacutea a los materiales y meacutetodos que se utilizaron en el

presente proyecto conviene citar como antecedentes del problema de investigacioacuten

planteado

Djaffar y col (2013) estudiaron la modificacioacuten de asfalto con SEBS en cuatro

diferentes concentraciones Sus resultados muestran que las mezclas son estables al

almacenamiento si el contenido de poliacutemero se manteniacutea bajo 5 en peso y tambieacuten

concluyeron que la inclusioacuten del SEBS mejoroacute las propiedades reoloacutegicas del asfalto

base al incrementar la respuesta elaacutestica del mismo (reflejado en el aumento del

moacutedulo complejo y disminucioacuten del aacutengulo de fase) a bajas temperaturas y a altas

temperaturas el aumento del punto de reblandecimiento mostroacute mejoras sustanciales

MARCO TEOacuteRICO

21

Pamplona y col (2012) indagaron el efecto de las arcillas montmorillonita y

vermiculita orgaacutenicamente modificadas en aglutinante asfaacuteltico modificado con SBS

Reportaron resultados que evidencian un incremento en la resistencia a las

deformaciones permanentes y un comportamiento reoloacutegico comparable al del asfalto

modificado solo con poliacutemero lo cual implica una potencial reduccioacuten de costo al poder

remplazar cierta cantidad de poliacutemero con nanoarcilla A modo de conclusioacuten

aseveran que la vermiculita modificada tiene mayor alcance para mejorar la

homogeneidad y la estabilidad de almacenamiento de la mezcla asfalto-poliacutemero

Golestani y col (2012) estudiaron los efectos de una nanoarcilla montmorillonita en

la preparacioacuten de asfalto modificado con SBS de dos grados lineal y ramificado Los

resultados conducen a determinar que la nanoarcilla mejora las propiedades fiacutesicas el

comportamiento reoloacutegico y la estabilidad al almacenamiento de los asfaltos

modificados mientras que la naturaleza lineal o ramificada del poliacutemero contribuye a

la formacioacuten de una estructura exfoliada o intercalada respectivamente del

nanocompuesto generado

Lai y col (2008) prepararon nanocompositos a partir de copoliacutemero en bloque

SEBS y montmorillonita Cloisitereg 20A por medio de la teacutecnica de mezclado en caliente

Utilizaron ademaacutes varias concentraciones de dos agentes compatibilizantes en base a

anhiacutedrido maleico cuya incorporacioacuten se realizoacute con la finalidad de mejorar la

dispersioacuten de la nanoarcilla dentro del composito Realizaron pruebas tensiles para

determinar el efecto del agente compatibilizante y descubrieron que al mantener fija la

concentracioacuten de este agente a medida que aumenta el contenido de arcilla se

mejoran las propiedades mecaacutenicas evaluadas

Mouillet y col (2008) establecieron que las mezclas asfaacutelticas adicionadas con

poliacutemeros como el EVA manifiestan una menor compatibilidad en asfaltos envejecidos

mientras que el SBS es maacutes compatible con asfaltos de este tipo Mediante estudios

por espectroscopiacutea infrarroja explicaron coacutemo la oxidacioacuten y la modificacioacuten

MARCO TEOacuteRICO

22

estructural del asfalto despueacutes del envejecimiento permiten una modificacioacuten maacutes o

menos importante de la mezcla con base en su composicioacuten original

Burak y col (2008) sostienen que al utilizar un copoliacutemero SBS lineal se presenta

una distribucioacuten homogeacutenea en un gran porcentaje del aacuterea de la mezcla tambieacuten

observaron mejoras en las propiedades convencionales y mecaacutenicas minimizando el

envejecimiento a corto y largo plazo manifestado en las propiedades tensiles

Jianying y col (2007) comprobaron que al modificar el asfalto con una arcilla

montmorillonita modificada con un catioacuten orgaacutenico se obtiene una estructura exfoliada

en la mezcla cuyo efecto ayuda a mejorar la estabilidad en el almacenaje a altas

temperaturas

Polacco y col (2006) realizaron mezclas de asfalto con copoliacutemero SEBS a varias

concentraciones de este A pesar de que estos componentes son naturalmente

incompatibles sus resultados demuestran que cuando el contenido de poliacutemero en la

mezcla se manteniacutea por debajo del 4 en peso se podiacutean obtener mezclas con buena

estabilidad al almacenamiento Otro de los puntos investigados por estos autores es

el impacto ocasionado por la adicioacuten de SEBS en las propiedades viscoelaacutesticas del

asfalto En el caso de concentraciones bajas del poliacutemero se encontroacute que el SEBS

actuaba de forma similar a un agente de relleno y por tanto no demeritaba

significativamente el comportamiento viscoelaacutestico del asfalto base no obstante a

concentraciones maacutes altas se provoca que el material se torne inestable al tiempo

que se favorece la tendencia de separacioacuten de fases cuando se almacena a alta

temperatura sin agitacioacuten

Ouyang y col (2006) modificaron asfalto con copoliacutemero SEBS y arcilla caolinita

Encontraron que la relacioacuten SEBScaolinita en la mezcla produce un efecto muy

importante en el comportamiento del asfalto almacenado a altas temperaturas y

determinaron que los asfaltos modificados eran maacutes estables cuando la relacioacuten

SEBScaolinita estaba proacutexima a 10050 Basados en su estudio concluyen que la

MARCO TEOacuteRICO

23

caolinita puede mejorar draacutesticamente la compatibilidad entre el SEBS y el asfalto base

cuando el poliacutemero y la arcilla se mezclan previamente a ser incorporados a la matriz

asfaacuteltica Esta investigacioacuten presenta el enfoque maacutes similar a aqueacutel con el que se

trabajoacute en este proyecto de tesis pues involucra tanto SEBS como una arcilla pero

esta uacuteltima sin tratamiento y por ende sin las propiedades que se esperan explotar

en una nanoarcilla

Los resultados publicados por estos Ouyang y col (2006) que incluyen

temperatura de reblandecimiento temperatura de falla propiedades de

almacenamiento a altas temperaturas y caracterizacioacuten reoloacutegica entre otros se

revisan ampliamente en la seccioacuten de resultados y discusioacuten como base comparativa

para interpretar los resultados obtenidos Tanto por el volumen de investigaciones

publicadas en revistas de divulgacioacuten cientiacutefica relacionadas con el tema de la

modificacioacuten de asfalto como por que sus hallazgos se encuentran citados como

referencia en la mayoriacutea de los artiacuteculos consultados en la revisioacuten bibliograacutefica de este

proyecto se reconoce a Ouyang y sus colaboradores como un grupo de trabajo con

autoridad en la materia concerniente a esta liacutenea de investigacioacuten

Ouyang y col (2005) en este otro artiacuteculo sentildealan que prepararon mezclas

SBScaolinita que demostraron mejorar exitosamente la estabilidad al almacenamiento

a altas temperaturas del asfalto modificado en comparacioacuten del modificado

exclusivamente con poliacutemero Encontraron que la relacioacuten de SBS respecto a la arcilla

tuvo un efecto muy significativo en la estabilidad al almacenamiento mientras que el

contenido de la arcilla presentoacute menor influencia en las propiedades mecaacutenicas del

asfalto

Salazar-Cruz (2010) en su tesis de maestriacutea utilizoacute un copoliacutemero SBS de

estructura radial y una montmorillonita tratada por medio de la intercalacioacuten de un

hidroxioligoacutemero de aluminio para modificar asfalto AC-20 De acuerdo con los

resultados de las pruebas de caracterizacioacuten de las mezclas finales observoacute

incrementos muy considerables en propiedades cruciales del asfalto como la

MARCO TEOacuteRICO

24

viscosidad el punto de reblandecimiento y la temperatura de falla determinada a partir

del estudio reoloacutegico del material Debido a los buenos resultados obtenidos en dicha

tesis se deduce la eficacia del tratamiento que aplicoacute para la modificacioacuten de la

montmorillonita natural con el catioacuten metaacutelico de aluminio Ademaacutes se concluyoacute que

al utilizar una proporcioacuten de 5 en peso del poliacutemero y concentraciones bajas de la

arcilla (1 y 3 en peso) los materiales estudiados en la mezcla mostraban mayor

afinidad pues a mayores concentraciones de la arcilla existiacutea sedimentacioacuten del

material lo cual fue constatado por medio de difraccioacuten de rayos X y mediante el

anaacutelisis morfoloacutegico de las muestras a traveacutes de microscopiacutea fluorescente

12 Generalidades del asfalto

121 Caracteriacutesticas generales del asfalto

La ASTM (American Society for Testing and Materials) define al asfalto como un

material de color cafeacute oscuro a negro en el cual los constituyentes predominantes

reciben el nombre de bituacutemenes este material puede encontrarse formado

naturalmente o bien se puede obtener por medio del procesamiento del petroacuteleo A su

vez el teacutermino bitumen es definido tambieacuten por la ASTM como una clase de sustancias

de aspecto obscuro obtenidas de manera natural o manufacturada compuestas

principalmente por hidrocarburos de elevado peso molecular algunas sustancias

bituminosas tiacutepicas son el asfalto la brea el alquitraacuten y las asfaltitas todas estas

sustancias bituminosas se diferencian entre siacute principalmente de acuerdo con el

meacutetodo por el cual se producen aunque por lo regular en todos los casos se ve

involucrado un proceso de destilacioacuten de aceites u otros materiales orgaacutenicos

Una de las fuentes maacutes importantes de asfalto natural es la Isla Trinidad cerca de

la costa noreste de Venezuela en donde existen grandes reservas naturales de este

material (asfalto del Lago Trinidad) En esta regioacuten existen varios yacimientos entre

los que sobresale un depoacutesito de asfalto de composicioacuten uniforme que ocupa una

MARCO TEOacuteRICO

25

superficie de aproximadamente 04 km2 que se encuentra a una profundidad de 87

metros siendo este el depoacutesito natural de asfalto de mayor tamantildeo e importancia

comercial La primera aplicacioacuten de la que se tiene registro sobre asfalto utilizado en

la pavimentacioacuten de caminos es precisamente la del asfalto proveniente de esta isla

que fue utilizado en Estados Unidos en el antildeo de 1874 A principios del siglo XX

tambieacuten se exportaba a los Estados Unidos asfalto natural venezolano obtenido de

otro depoacutesito el Lago Bermuacutedez el cual se usoacute para aplicaciones de pavimentacioacuten e

impermeabilizacioacuten sin embargo el asfalto de este depoacutesito se agotoacute en la deacutecada de

los antildeos cuarenta

Otro suministro natural de asfalto son las denominadas ldquorocas asfaacutelticasrdquo que estaacuten

conformadas por minerales como la arenisca o la piedra caliza que contienen de 5 a

25 de asfalto Las rocas asfaacutelticas pueden encontrarse en yacimientos en los

estados de Texas Alabama Oklahoma Colorado California y Kentucky en los

Estados Unidos mientras que en Europa algunos depoacutesitos ampliamente explotados

se ubican en Seyssel Francia Ragusa Italia Val-de-Travers Suiza y Vorwohle

Alemania (Kirk-Othmer 2006)

Hasta la eacutepoca correspondiente a los primeros antildeos del siglo XX el asfalto que

maacutes se utilizaba era el formado naturalmente pero a partir de entonces la principal

forma de obtencioacuten de asfalto fue y sigue siendo la refinacioacuten de petroacuteleo En este

sentido resulta conveniente describir someramente las caracteriacutesticas principales de

esta fuente no renovable de energiacutea pues pese a los grandes esfuerzos emprendidos

para disminuir su uso y evitar las nocivas consecuencias que son provocadas por su

explotacioacuten hoy en diacutea sigue siendo una de las sustancias maacutes preciadas en el mundo

debido a su inestimable valor no solo en el aacutembito de la generacioacuten de energiacutea sino

tambieacuten porque a partir de eacutel se obtienen productos derivados de alto intereacutes industrial

El petroacuteleo es un producto natural localizado a grandes profundidades de la corteza

terrestre es una compleja mezcla de un importante nuacutemero de hidrocarburos que por

el meacutetodo de destilacioacuten fraccionada es susceptible de ser dividida en pequentildeos

MARCO TEOacuteRICO

26

grupos de compuestos aprovechando sus diferentes volatilidades La composicioacuten

quiacutemica del petroacuteleo variacutea de acuerdo con la localizacioacuten del yacimiento de donde

provenga y de la antiguumledad del mismo pero el promedio establecido es de 83 a

86 de carbono y entre el 11 y 13 de hidroacutegeno mientras mayor sea el contenido

de carbono respecto al de hidroacutegeno el crudo contiene mayor cantidad de productos

pesados Se han estudiado diferentes crudos que demuestran que entre maacutes antiguos

sean es maacutes factible que presenten mayor proporcioacuten de hidrocarburos gaseosos y

soacutelidos que liacutequidos dentro de su composicioacuten (Mariacuten 2004)

El asfalto es un componente natural del petroacuteleo Para obtenerlo el crudo se

somete a destilacioacuten por medio de la cual se separan sus diversas fracciones y se

recupera entre otras sustancias el asfalto En la figura 11 se despliega un diagrama

general sobre la obtencioacuten del asfalto a partir del petroacuteleo crudo (Petroperuacute Diagrama

de flujo para asfaltos de petroacuteleo)

Figura 11 Esquema general del fraccionamiento del petroacuteleo crudo (Petroperuacute)

MARCO TEOacuteRICO

27

El asfalto ha recibido su denominacioacuten por su apariencia fiacutesica y por su

consistencia La palabra asfalto deriva del teacutermino acadio ldquoassphaltu o sphallo

que significa resquebrajar dividir partir Los griegos le asignaron el significado de

firme estable seguro por sus maacutes antiguos usos del griego pasoacute al latiacuten luego a

Francia con el teacutermino asphalte y al ingleacutes con el teacutermino asphalt para llegar

finalmente a su concepto castellano asfalto El betuacuten asfaacuteltico ligante asfaacuteltico

aglutinante asfaacuteltico o sencillamente asfalto ha encontrado aplicacioacuten desde la

antiguumledad algunas de las piezas maacutes arcaicas fabricadas en un material denominado

lsquorsquomastic de bitumenlsquolsquo se encuentran en el museo de Louvre provenientes de la zona

donde hoy se encuentra Iraacuten y se estima datan de 2500 antildeos antes de nuestra era la

similitud de la composicioacuten de fragmentos provenientes de la zona del Mar Muerto con

el hallazgo de piezas proacuteximas a El Cairo Egipto que datan de unos 5000 antildeos

permiten pensar en la existencia de una relacioacuten comercial entre ambas zonas desde

entonces (Subiaga 2011) Hay evidencia de que los egipcios usaban asfalto para la

momificacioacuten de cuerpos humanos de hecho la palabra ldquomomiardquo se piensa que deriva

del teacutermino ldquomumiiardquo que era el vocablo con el que se referiacutea al asfalto proveniente de

la regioacuten de Judea

El asfalto tiene un rol predominante y creciente en varios sectores debido a sus

caracteriacutesticas y sobre todo por su bajo costo ya que este es en realidad un producto

de residuo que queda tras la refinacioacuten del petroacuteleo Las principales aacutereas de

aplicacioacuten del asfalto son la construccioacuten de carreteras la preparacioacuten de rellenos

para juntas de dilatacioacuten y su uso en diversas estructuras de impermeabilizacioacuten por

sus excelentes propiedades viscoelaacutesticas desafortunadamente presenta un

comportamiento completamente liacutequido a altas temperaturas y muy quebradizo a las

bajas lo que suele limitar su rendimiento en las aplicaciones finales a las cuales se

consigna siendo la aplicacioacuten vial aquella en donde por lo regular resultan maacutes graves

los perjuicios debido a esta clase de inconvenientes

Gran parte de la complejidad del asfalto radica en que es un liacutequido termoplaacutestico

que se comporta como un soacutelido elaacutestico a bajas temperaturas o cuando se le aplica

MARCO TEOacuteRICO

28

raacutepidamente alguna carga por otro lado cuando se somete a altas temperaturas o a

la aplicacioacuten lenta de cargas tiende a comportarse como un liacutequido viscoso Esta

claacutesica dicotomiacutea que se presenta tambieacuten en otros materiales viscoelaacutesticos revela

la necesidad de trabajar en el mejoramiento del desempentildeo del asfalto para minimizar

la posibilidad de que se generen grietas por los esfuerzos que soporta a bajas

temperaturas y a las deformaciones plaacutesticas que tienen lugar a altas temperaturas

(Wardlaw 1992)

Por tanto el asfalto es un material complejo que debe cumplir un doble rol en las

mezclas en las que interviene debe impartirles propiedades viscoelaacutesticas y unir en

forma durable al resto de los componentes Estas importantes propiedades auacuten en la

actualidad pueden definirse con buena aproximacioacuten haciendo uso de teacutecnicas de

caracterizacioacuten apropiadas En la construccioacuten de carpetas asfaacutelticas el ligante debe

ser lo suficientemente fluido a altas temperaturas para ser bombeado y mezclado con

los agregados (material peacutetreo que forma el cuerpo de la carpeta de pavimentacioacuten)

pero tambieacuten debe ser adecuadamente riacutegido a temperatura ambiente para resistir la

deformacioacuten debida al traacutensito carretero no obstante tampoco debe serlo demasiado

de forma tal que se evite el agrietamiento a bajas temperaturas En consecuencia las

propiedades reoloacutegicas de los aglutinantes asfaacutelticos son de gran importancia porque

estaacuten directamente relacionadas con su desempentildeo en el campo

A pesar de que aproximadamente los mil trescientos tipos de crudos conocidos se

usan para obtener asfaltos no todos producen asfaltos iguales en cuanto a su calidad

y solamente cerca de un 10 de esos asfaltos se utilizan con la finalidad de aplicarse

para usos viales con un rendimiento del 3 Para mejorar esas caracteriacutesticas es

necesario agregar aditivos que modifiquen sus propiedades entre los cuales se

cuentan poliacutemeros aacutecidos rellenos y arcillas por mencionar algunos (Subiaga 2011)

Para trabajar al respecto se han desarrollado asfaltos modificados con poliacutemeros

estos han mostrado evidencia de una mejora sustancial en el rendimiento potencial de

las carpetas asfaacutelticas convencionales al aumentar su resistencia a la deformacioacuten y

MARCO TEOacuteRICO

29

a la fatiga acompantildeado por el detrimento de la claacutesica vulnerabilidad inducida por

efectos teacutermicos El eje focal en el desarrollo de investigacioacuten en este sentido debe

ser que se garantice minimizar el riesgo de que exista separacioacuten de fases en el asfalto

modificado En este contexto el copoliacutemero SBS debido a su naturaleza se ha usado

como agente modificador de asfalto mientras que para superar el problema de la

separacioacuten de fases se ha encontrado que la introduccioacuten de arcillas minerales mejora

las propiedades del poliacutemero y en general estabiliza el asfalto modificado

El objetivo que se persigue tras la modificacioacuten de asfaltos con poliacutemeros es contar

con ligantes maacutes viscosos a temperaturas elevadas para reducir las deformaciones

permanentes de las mezclas que componen las capas de rodamiento de las carreteras

es decir aumentar su rigidez Por otro lado se busca disminuir el fisuramiento por

efecto teacutermico a bajas temperaturas y por fatiga aumentando su elasticidad

Finalmente se espera contar con un ligante de mejores caracteriacutesticas adhesivas

Otras propiedades que se busca impulsar en el asfalto modificado con respecto al

asfalto convencional son (Tonda 2004)

Mayor intervalo de plasticidad y mejora de la respuesta elaacutestica

Mayor cohesioacuten

Mayor resistencia a la accioacuten del agua y al envejecimiento

Las propiedades que los modificadores imparten dependen de los siguientes

factores

Tipo y composicioacuten del poliacutemero incorporado

Caracteriacutestica y estructura coloidal del asfalto base

Proporcioacuten relativa de asfalto y poliacutemero

122 Composicioacuten fiacutesica y quiacutemica del asfalto

Como se advirtioacute anteriormente el asfalto es un compuesto sumamente complejo

cuya composicioacuten quiacutemica es bastante variable dependiendo de su fuente de origen

IacuteNDICE

- viii -

Iacutendice de Tablas

Tabla 21 Caracteriacutesticas de calidad para asfaltos de diversos grados seguacuten la SCT 56

Tabla 22 Propiedades del asfalto virgen AC-20 utilizado en el proyecto de investigacioacuten 57

Tabla 23 Caracteriacutesticas del poliacutemero utilizado en el proyecto de investigacioacuten 58

Tabla 24 Comparacioacuten de algunas arcillas montmorillonitas comerciales 59

Tabla 25 Matriz experimental de muestras de asfalto modificado 75

Tabla 31 Datos y resultados de los caacutelculos para la preparacioacuten de los compositos SEBSC15A 78

Tabla 32 Iacutendice de modificacioacuten de la viscosidad rotacional a 135degC de todas las mezclas de asfalto

modificado con base en la viscosidad del asfalto puro 93

Tabla 33 Valores de temperatura de reblandecimiento (Treb) de las muestras de asfalto modificado e

iacutendices de modificacioacuten con respecto al asfalto virgen 96

Tabla 34 Valores de penetracioacuten de las muestras de asfalto modificado evaluada a 25degC durante 5 s

con una masa de 100g Se adjunta tambieacuten el iacutendice de modificacioacuten con respecto al asfalto virgen 99

Tabla 35 Valores del iacutendice de penetracioacuten de las muestras de asfalto calculadas con base en los

resultados de las pruebas de temperatura de reblandecimiento y penetracioacuten mediante la ecuacioacuten 22

103

Tabla 36 Estabilidad al almacenamiento a altas temperaturas de asfalto modificado con SEBS (sin

C15A) 106

Tabla 37 Estabilidad al almacenamiento a altas temperaturas de asfalto modificado con

nanocompositos SEBSC15A (proceso 3) 110

Tabla 38 Temperatura de falla de las muestras modificadas por medio de los procesos 2 y 3 123

Tabla 39 Factores de transposicioacuten propuestos a cada temperatura para transformar la graacutefica de la

figura 316 en una curva maestra 129

IacuteNDICE

- ix -

Iacutendice de Ecuaciones

(11) Iacutendice de inestabilidad coloidal 33

(12) Ley de Hooke 50

(13) Ley de viscosidad de Newton 50

(14) Definicioacuten de moacutedulo complejo 54

(15) Definicioacuten de moacutedulo elaacutestico 54

(16) Definicioacuten de moacutedulo viscoso 54

(17) Definicioacuten de tangente del aacutengulo de fase 54

(21) Ley de Bragg 63

(22) Iacutendice de penetracioacuten 69

(31) Foacutermula para el caacutelculo de la fraccioacuten maacutesica de C15A en el modificador de relacioacuten 10010 77

(32) Foacutermula para el caacutelculo de la fraccioacuten maacutesica de SEBS en los modificadores 77

(33) Foacutermula para la determinacioacuten de la masa de C15A para la formulacioacuten de los modificadores

compuestos 77

(34) Foacutermula para la determinacioacuten de la masa de SEBS para la formulacioacuten de los modificadores

compuestos 77

(35) Obtencioacuten del volumen de C15A en funcioacuten a su masa y densidad 77

(36) Obtencioacuten del volumen de SEBS en funcioacuten a su masa y densidad 77

(37) Caacutelculo del factor de llenado de la caacutemara de mezclado 77

(38) Foacutermula para el caacutelculo de la fraccioacuten maacutesica de C15A en el modificador de relacioacuten 10030 78

(39) Razoacuten de cambio del torque de la caacutemara de mezclado respecto al tiempo 80

(310) Iacutendice de modificacioacuten 92

(311) Ley de Stokes 107

(312) Densidad a la temperatura final en funcioacuten del coeficiente de expansioacuten teacutermica 107

(313) Ecuacioacuten Williams-Landel-Ferrel para el factor de transposicioacuten en curvas maestras 126

(314) Ecuacioacuten Williams-Landel-Ferrel presentada en el formato de la ecuacioacuten de una liacutenea recta en

su forma simeacutetrica 129

RESUMEN

- x -

Resumen

Aproximadamente toda la produccioacuten mundial de asfalto se destina para la

construccioacuten de viacuteas pavimentadas El pavimento asfaacuteltico se compone baacutesicamente de dos

constituyentes un agregado de partiacuteculas minerales y un aglutinante asfaacuteltico que une el

agregado mineral y lo protege de la accioacuten de agentes nocivos Al principio de la construccioacuten

de caminos pavimentados el asfalto convencional fue suficiente para cumplir con este

propoacutesito pero a medida que el volumen del traacutefico se incrementoacute y los problemas ambientales

se intensificaron los caminos preparados utilizando solo asfalto como aglutinante fueron

perdiendo su integridad maacutes prematuramente Como consecuencia de ello se han conducido

investigaciones con el propoacutesito de encontrar elementos modificadores del comportamiento

del asfalto que promuevan su durabilidad mejoren su desempentildeo en intervalos maacutes amplios

de condiciones climaacuteticas le confieran mayor resistencia mecaacutenica y que reduzcan su

susceptibilidad teacutermica

En este estudio se prepararon compositos formados por un copoliacutemero en bloque de

estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS) y la nanoarcilla montmorillonita a diferentes

proporciones maacutesicas SEBSnanoarcilla por medio de una teacutecnica de mezclado en caliente

Los compositos se aplicaron en la obtencioacuten de mezclas de asfalto modificado con 3 4 y

6 en masa de aditivo Se corroboroacute la pertinencia de las condiciones propuestas para la

formacioacuten del composito por medio de la teacutecnica de difraccioacuten de rayos X cuyos resultados

sugieren que la preparacioacuten presenta las caracteriacutesticas propias de un nanocomposito

exfoliado cuando el proceso de mezclado se realiza a una temperatura de 190degC

La incorporacioacuten de los nanocompositos como agentes modificadores de asfalto

condujo al aumento de todas las propiedades fiacutesicas reoloacutegicas y de estabilidad que se

evaluaron en las mezclas resultantes con respecto a las caracteriacutesticas tanto del asfalto sin

modificar como del asfalto modificado solo con poliacutemero La viscosidad y la temperatura de

reblandecimiento se incrementaron lo cual se interpreta como una mejoriacutea en el efecto de

resistencia del asfalto y de las propiedades del mismo a altas temperaturas Adicionalmente

las muestras modificadas con nanocompositos demostraron ser maacutes estables al

almacenamiento que las modificadas solo con SEBS lo cual confirma que la introduccioacuten de

la nanoarcilla permite superar el problema de la separacioacuten de fases En teacuterminos de

caracteriacutesticas reoloacutegicas las muestras en las cuales se introdujeron nanocompositos

RESUMEN

- xi -

alcanzaron los valores maacutes altos de moacutedulo complejo lo cual indica que el asfalto modificado

mediante este proceso tiene una naturaleza maacutes elaacutestica que el asfalto original De igual

forma se obtuvieron excelentes temperaturas de falla lo cual sustenta el hecho de que las

mezclas tendraacuten mejor comportamiento a altas temperaturas

La visioacuten global de los resultados del proyecto permite concluir que esta propuesta de

meacutetodos y materiales es absolutamente funcional y efectiva no solo por las mejoras incurridas

sobre las propiedades del asfalto original sino ademaacutes porque al comparar estos resultados

con los publicados en artiacuteculos de divulgacioacuten cientiacutefica se evidencia que las proporciones de

los aumentos de las propiedades evaluadas se encuentran al nivel o por encima de los

resultados de investigaciones efectuadas por connotados cientiacuteficos en este campo de estudio

ABSTRACT

- xii -

Abstract

Almost all the worldwide production of asphalt is destined for road pavement

construction Two constituents compose concrete asphalt an asphalt binder and an aggregate

of mineral particles The function of the asphalt is to bend the mineral aggregate while

protecting it from water and other harmful agents thus the properties and nature of this binder

are closely related to the pavement performance Initially pure conventional asphalt was good

enough for this purpose but more recently as the traffic load increased and the environmental

factors worsened road pavements prepared just with pure asphalt became useless more

rapidly than before Consequently there were conducted some studies aiming to find elements

to modify the asphalt behavior in order to promote its durability to improve its performance in

a wider interval of weather conditions and to give it better mechanical resistance Polymers

were extensively used as modifiers because they are capable of transferring their properties to

the asphalt for example it was observed a greater rutting fatigue and cracking resistance on

the polymer-modified binders as well as an important reduction of its thermal susceptibility

Styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) block copolymer and montmorillonite

nanoclay composites were prepared through a melt mixing technique at different

SEBSnanoclay mass ratios for asphalt modification Asphalt binder blends with 3 4 and

6 of SEBSnanoclay modifier were obtained by means of a high shear mixer Then there

were performed analyses by X-ray diffraction in order to determine if the conditions employed

to prepare the nanocomposites were appropriate This technique also revealed that when

prepared at 190degC nanocomposites showed an exfoliated dispersion pattern

The asphalt binderrsquos modification process using nanocomposites resulted in a great

enhancement of its physical and rheological properties as well as in an improvement of its

storage stability regarding both the original binder and the one modified just by SEBS The

viscosity and softening temperature of modified binder raised up implying that its high-

temperature properties and thermal resistance increased In addition nanocomposite-modified

binder proved to be more storage-stable than that modified exclusively by SEBS This find

confirmed that nanoclay is actually lowering the phase segregation problem that had place

when modification was performed using just polymers Asphalt showed a better rheological

behavior when nanocomposites were used as modifying agents This condition evidenced by

greater values of complex modulus means that the binderrsquos elastic nature increased It was

ABSTRACT

- xiii -

also demonstrated that the failure temperature was adequate for all samples ratifying that high-

temperature properties of asphalt were certainly enhanced

The general balance of the project reinforces the conclusion that the experimental

methods proposed through this research are functional and efficient This conclusion was

drawn not only because of the improved properties of the resulting asphalt but also because

when they were compared with data available on scientific research papers it was clear that

they are at least as good as the results of studies conducted by some of the most prestigious

researchers on the field of the asphalt modification technology

INTRODUCCIOacuteN

14

Introduccioacuten

Casi la totalidad del asfalto producido aproximadamente un 95 de este

encuentra su aplicacioacuten final en la construccioacuten de pavimentos (Didier 2009) Para

fines praacutecticos el concreto asfaacuteltico que es el material con el cual se construyen las

viacuteas pavimentadas de traacutensito presenta dos constituyentes elementales el asfalto y

un agregado de partiacuteculas minerales conformado por rocas de granito sometidas a

diferentes procesos de reduccioacuten de tamantildeo (Paul y col 2003) La utilidad del asfalto

dentro de la constitucioacuten del pavimento es la de fungir como un agente que cohesione

el agregado de partiacuteculas minerales con las que se preparan las carpetas de

pavimentacioacuten al revestir el agregado mineral y unir dichas partiacuteculas se favorece la

generacioacuten de una mezcla densa e impermeable al agua lo cual es altamente

deseable en los pavimentos carreteros La calidad de servicio de esta mezcla de

asfalto se ve afectada tanto por las caracteriacutesticas de cada uno de los materiales

individuales presentes en la mezcla de concreto como por sus interacciones en el

sistema considerado como un todo

Cuando se comenzaron a construir caminos pavimentados en un primer intento por

modernizar las viacuteas de comunicacioacuten entre distintos asentamientos humanos y

mientras las circunstancias asiacute lo permitieron el asfalto puro convencional fue utilizado

satisfactoriamente cubriendo el rol de aglutinante en los sistemas viales pavimentados

pero maacutes tarde las propiedades de los pavimentos construidos de esta forma

resultaron inconvenientes debido a que de forma paralela al incremento del volumen

de traacutensito se hizo evidente la necesidad de dar mantenimiento a las carreteras que

se deterioraban con mayor rapidez en intervalos maacutes cortos de tiempo

Por lo tanto para solventar esta impraacutectica secuencia de mantenimiento y evitar asiacute

accidentes mayores e incluso en un intento de contrarrestar los efectos perjudiciales

que ciertos factores ambientales pueden ejercer sobre el servicio de las carreteras se

han llevado a cabo algunas investigaciones con el objetivo de encontrar elementos

INTRODUCCIOacuteN

15

modificadores del asfalto convencional que mejoren el rendimiento del concreto que

susciten su larga durabilidad que le induzcan a presentar un oacuteptimo desempentildeo en

intervalos maacutes amplios de condiciones ambientales y que le confirieran caracteriacutesticas

mecaacutenicas adecuadas para cumplir con el propoacutesito para el cual se destina En este

sentido el problema de investigacioacuten que se abordoacute en este proyecto surge como

respuesta a la buacutesqueda de sistemas conformados por uno o varios materiales que

sean capaces de transferir sus caracteriacutesticas para mejorar las propiedades finales de

una mezcla asfaacuteltica que pueda ser utilizada como aglutinante en el concreto destinado

a construir vialidades por lo tanto hay que tomar en cuenta el contexto en el que se

han desarrollado recientemente los procesos de modificacioacuten de asfaltos

En principio se introdujo la modificacioacuten del cemento asfaacuteltico mediante el uso de

poliacutemeros lo cual mostroacute mejoras importantes en el desempentildeo del aglutinante

convencional por ejemplo mayor resistencia a la deformacioacuten y a la fatiga

disminucioacuten de la susceptibilidad teacutermica asiacute como una mayor resistencia a su

desintegracioacuten A pesar de que este tipo de modificacioacuten fue considerado como una

gran innovacioacuten en la tecnologiacutea de la construccioacuten de caminos debido a las ventajas

que aportoacute a las propiedades finales del producto modificado en comparacioacuten al asfalto

original existe una restriccioacuten muy importante al poner en marcha este proceso de

modificacioacuten ya que debe garantizarse la compatibilidad entre el poliacutemero y el asfalto

para minimizar el riesgo de la separacioacuten de fases de la mezcla asfalto-poliacutemero y

mantener asiacute su estabilidad durante el periodo de almacenamiento

Existen estudios recientes sobre la modificacioacuten de poliacutemeros con arcillas minerales

de escalas nanomeacutetricas los cuales han revelado que las nanoarcillas pueden

emplearse como agente para mejorar las propiedades fiacutesicas o mecaacutenicas del

poliacutemero o bien como relleno para reducir la cantidad utilizada del mismo Las

nanoarcillas presentan propiedades muy especiales precisamente debido a sus

dimensiones del orden nanomeacutetrico A pesar de que hay muchos materiales que se

han empleado como modificadores de asfalto los cuales incluyen varias resinas

INTRODUCCIOacuteN

16

hules poliacutemeros azufre complejos metaacutelicos fibras y otros agentes quiacutemicos en antildeos

recientes la nanotecnologiacutea ha alcanzado el campo de la modificacioacuten de asfaltos con

varios tipos de nanomateriales y se han observado resultados que muestran una

mejora significativa en las propiedades fundamentales del material e incluso se han

logrado superar los resultados obtenidos con los meacutetodos claacutesicos de modificacioacuten

Los estudios han conducido a observar propiedades de estabilidad teacutermica pero maacutes

importante auacuten se ha revelado el potencial de las nanoarcillas para conseguir la

estabilidad que la modificacioacuten de asfalto con poliacutemeros no habiacutea sido capaz de

alcanzar

En el presente proyecto de investigacioacuten se obtuvieron mezclas de asfalto

modificado con el copoliacutemero estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS) ademaacutes de la

nanoarcilla Cloisitereg 15A la cual pertenece a la familia de las montmorillonitas

modificadas Esta combinacioacuten de material polimeacuterico y arcilla jamaacutes ha sido reportada

en investigaciones previas a pesar de que tanto el SEBS como la montmorillonita

modificada siacute han sido utilizados exitosamente de forma independiente (solos o

integrados con otros materiales) en la preparacioacuten de mezclas de asfalto modificado

por meacutetodos similares al propuesto en esta tesis Como se discutiraacute con maacutes detalle

en el capiacutetulo III de este trabajo por medio de este estudio se pretende evaluar la

pertinencia de utilizar estos dos materiales como elementos modificadores toda vez

que en las investigaciones donde se han analizado por separado se han encontrado

caracteriacutesticas altamente deseables que pueden ser cedidas al asfalto

Ademaacutes de probar esta nueva propuesta de elementos modificadores se trabajoacute

con la finalidad de manipular otras variables del desarrollo experimental sobre todo

aquellas relacionadas con las cantidades proporcionales de poliacutemero y nanoarcilla que

se emplearon para modificar el asfalto pues de acuerdo con la revisioacuten bibliograacutefica

se ha visto que pequentildeos cambios en las cantidades relativas de modificador en la

mezcla total pueden generar cambios sustanciales en las propiedades globales del

material modificado

INTRODUCCIOacuteN

17

La evaluacioacuten tanto de la eficacia de los materiales planteados como de las

proporciones de modificador sugeridas se pudo realizar por medio de la determinacioacuten

de las propiedades fiacutesicas convencionales del producto modificado entre las que se

encuentran viscosidad rotacional temperatura de reblandecimiento y penetracioacuten asiacute

como la caracterizacioacuten reoloacutegica del material y la determinacioacuten de la estabilidad al

almacenamiento a altas temperaturas por medio de la prueba de separacioacuten de fases

El anaacutelisis e interpretacioacuten de esta informacioacuten junto con la aportada por otras pruebas

de apoyo se puede consultar en la seccioacuten correspondiente a los resultados y

discusioacuten del presente documento

Finalmente se espera que las conclusiones emanadas de esta tesis sirvan como

precedente para que aqueacutellos que se dedican a la aplicacioacuten de la ciencia de los

materiales en el campo de la tecnologiacutea de caminos encuentren un respaldo cientiacutefico

para fundamentar nuevas formas de hacer maacutes eficiente el trabajo en materia vial

CAPIacuteTULO 1

MARCO TEOacuteRICO

MARCO TEOacuteRICO

19

11 Antecedentes

1

La propuesta innovadora de este proyecto radica en el hecho de emplear dos

materiales que de forma separada se han probado como eficaces en la modificacioacuten

de asfaltos pero cuya sinergia no ha sido experimentada por ninguacuten grupo de

investigacioacuten hasta el momento Tradicionalmente los poliacutemeros maacutes ampliamente

utilizados para la modificacioacuten de asfaltos han sido el polietileno (PE) el vinil acetato

de etileno (EVA) y algunos copoliacutemeros de estireno y butadieno siendo el copoliacutemero

estireno-butadieno-estireno (SBS) el de mayor aplicacioacuten para este fin En cuanto al

uso de arcillas la clave radica en encontrar un agente dispersante que sea compatible

tanto con el poliacutemero como con la base de asfalto con la cual se mezcla o bien un

procedimiento asertivo en el propoacutesito de conseguir una completa distribucioacuten del

modificador en la matriz asfaacuteltica aun con ello las nanoarcillas ocupan una posicioacuten

preponderante en la modificacioacuten de asfalto siendo las montmorillonitas

orgaacutenicamente modificadas con sus correspondientes estructuras laminadas las maacutes

extensamente empleadas en estudios de este campo y con las cuales se han logrado

resultados muy importantes A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes

maacutes sobresalientes que han servido como modelo para contrastar los resultados

obtenidos en este proyecto

Fang y col (2013) estructuraron un compendio de nanomateriales aplicados a la

modificacioacuten de asfalto En este sumario de varias investigaciones se resalta que los

nanomateriales se han empleado como modificadores porque su presencia en mezclas

imparte propiedades especiales al producto final En este trabajo se menciona que

algunas de las propiedades maacutes recurrentes que se buscan mejorar del asfalto

convencional son sus caracteriacutesticas de adhesioacuten sensibilidad a la temperatura

propiedades respecto a la friccioacuten resistencia a la oxidacioacuten resistencia al

envejecimiento y aumento de su durabilidad En el compendio se citan algunas de las

combinaciones de materiales utilizadas por diversos investigadores de este campo

entre los cuales destacan

MARCO TEOacuteRICO

20

Yu y Wu quienes usaron SBS y silicatos nanomeacutetricos

Ye Chen Ma y col quienes modificaron asfalto con nanopartiacuteculas de

dioacutexido de silicio dioacutexido de titanio y carbonato de calcio en combinacioacuten

con SBS

Ouyang y col reportan trabajos de modificacioacuten de asfalto para mejorar

la estabilidad teacutermica de este utilizando en diferentes proyectos de

investigacioacuten polietileno de baja densidad y caolinita junto con SBS o

SEBS

Galooyak y col y Jahromi y Khodaii estudiaron la influencia de

montmorillonita y otras nanoarcillas en las propiedades reoloacutegicas de

asfalto modificado con SBS

Kebritchi y col prepararon un composito de poliacutemero con carbonato de

calcio y despueacutes este fue utilizado como modificador de asfalto

Sureshkumar y col utilizaron poliacutemero EVA y un material nano-laminado

para modificar el asfalto

Zare-Shahabadi y col utilizaron bentonita natural y orgaacutenicamente

modificada para modificar asfalto

Ademaacutes del resumen de investigaciones relativas a la modificacioacuten de asfaltos

preparado por Fang y col existen en la literatura de divulgacioacuten cientiacutefica algunas

investigaciones que por su cercaniacutea a los materiales y meacutetodos que se utilizaron en el

presente proyecto conviene citar como antecedentes del problema de investigacioacuten

planteado

Djaffar y col (2013) estudiaron la modificacioacuten de asfalto con SEBS en cuatro

diferentes concentraciones Sus resultados muestran que las mezclas son estables al

almacenamiento si el contenido de poliacutemero se manteniacutea bajo 5 en peso y tambieacuten

concluyeron que la inclusioacuten del SEBS mejoroacute las propiedades reoloacutegicas del asfalto

base al incrementar la respuesta elaacutestica del mismo (reflejado en el aumento del

moacutedulo complejo y disminucioacuten del aacutengulo de fase) a bajas temperaturas y a altas

temperaturas el aumento del punto de reblandecimiento mostroacute mejoras sustanciales

MARCO TEOacuteRICO

21

Pamplona y col (2012) indagaron el efecto de las arcillas montmorillonita y

vermiculita orgaacutenicamente modificadas en aglutinante asfaacuteltico modificado con SBS

Reportaron resultados que evidencian un incremento en la resistencia a las

deformaciones permanentes y un comportamiento reoloacutegico comparable al del asfalto

modificado solo con poliacutemero lo cual implica una potencial reduccioacuten de costo al poder

remplazar cierta cantidad de poliacutemero con nanoarcilla A modo de conclusioacuten

aseveran que la vermiculita modificada tiene mayor alcance para mejorar la

homogeneidad y la estabilidad de almacenamiento de la mezcla asfalto-poliacutemero

Golestani y col (2012) estudiaron los efectos de una nanoarcilla montmorillonita en

la preparacioacuten de asfalto modificado con SBS de dos grados lineal y ramificado Los

resultados conducen a determinar que la nanoarcilla mejora las propiedades fiacutesicas el

comportamiento reoloacutegico y la estabilidad al almacenamiento de los asfaltos

modificados mientras que la naturaleza lineal o ramificada del poliacutemero contribuye a

la formacioacuten de una estructura exfoliada o intercalada respectivamente del

nanocompuesto generado

Lai y col (2008) prepararon nanocompositos a partir de copoliacutemero en bloque

SEBS y montmorillonita Cloisitereg 20A por medio de la teacutecnica de mezclado en caliente

Utilizaron ademaacutes varias concentraciones de dos agentes compatibilizantes en base a

anhiacutedrido maleico cuya incorporacioacuten se realizoacute con la finalidad de mejorar la

dispersioacuten de la nanoarcilla dentro del composito Realizaron pruebas tensiles para

determinar el efecto del agente compatibilizante y descubrieron que al mantener fija la

concentracioacuten de este agente a medida que aumenta el contenido de arcilla se

mejoran las propiedades mecaacutenicas evaluadas

Mouillet y col (2008) establecieron que las mezclas asfaacutelticas adicionadas con

poliacutemeros como el EVA manifiestan una menor compatibilidad en asfaltos envejecidos

mientras que el SBS es maacutes compatible con asfaltos de este tipo Mediante estudios

por espectroscopiacutea infrarroja explicaron coacutemo la oxidacioacuten y la modificacioacuten

MARCO TEOacuteRICO

22

estructural del asfalto despueacutes del envejecimiento permiten una modificacioacuten maacutes o

menos importante de la mezcla con base en su composicioacuten original

Burak y col (2008) sostienen que al utilizar un copoliacutemero SBS lineal se presenta

una distribucioacuten homogeacutenea en un gran porcentaje del aacuterea de la mezcla tambieacuten

observaron mejoras en las propiedades convencionales y mecaacutenicas minimizando el

envejecimiento a corto y largo plazo manifestado en las propiedades tensiles

Jianying y col (2007) comprobaron que al modificar el asfalto con una arcilla

montmorillonita modificada con un catioacuten orgaacutenico se obtiene una estructura exfoliada

en la mezcla cuyo efecto ayuda a mejorar la estabilidad en el almacenaje a altas

temperaturas

Polacco y col (2006) realizaron mezclas de asfalto con copoliacutemero SEBS a varias

concentraciones de este A pesar de que estos componentes son naturalmente

incompatibles sus resultados demuestran que cuando el contenido de poliacutemero en la

mezcla se manteniacutea por debajo del 4 en peso se podiacutean obtener mezclas con buena

estabilidad al almacenamiento Otro de los puntos investigados por estos autores es

el impacto ocasionado por la adicioacuten de SEBS en las propiedades viscoelaacutesticas del

asfalto En el caso de concentraciones bajas del poliacutemero se encontroacute que el SEBS

actuaba de forma similar a un agente de relleno y por tanto no demeritaba

significativamente el comportamiento viscoelaacutestico del asfalto base no obstante a

concentraciones maacutes altas se provoca que el material se torne inestable al tiempo

que se favorece la tendencia de separacioacuten de fases cuando se almacena a alta

temperatura sin agitacioacuten

Ouyang y col (2006) modificaron asfalto con copoliacutemero SEBS y arcilla caolinita

Encontraron que la relacioacuten SEBScaolinita en la mezcla produce un efecto muy

importante en el comportamiento del asfalto almacenado a altas temperaturas y

determinaron que los asfaltos modificados eran maacutes estables cuando la relacioacuten

SEBScaolinita estaba proacutexima a 10050 Basados en su estudio concluyen que la

MARCO TEOacuteRICO

23

caolinita puede mejorar draacutesticamente la compatibilidad entre el SEBS y el asfalto base

cuando el poliacutemero y la arcilla se mezclan previamente a ser incorporados a la matriz

asfaacuteltica Esta investigacioacuten presenta el enfoque maacutes similar a aqueacutel con el que se

trabajoacute en este proyecto de tesis pues involucra tanto SEBS como una arcilla pero

esta uacuteltima sin tratamiento y por ende sin las propiedades que se esperan explotar

en una nanoarcilla

Los resultados publicados por estos Ouyang y col (2006) que incluyen

temperatura de reblandecimiento temperatura de falla propiedades de

almacenamiento a altas temperaturas y caracterizacioacuten reoloacutegica entre otros se

revisan ampliamente en la seccioacuten de resultados y discusioacuten como base comparativa

para interpretar los resultados obtenidos Tanto por el volumen de investigaciones

publicadas en revistas de divulgacioacuten cientiacutefica relacionadas con el tema de la

modificacioacuten de asfalto como por que sus hallazgos se encuentran citados como

referencia en la mayoriacutea de los artiacuteculos consultados en la revisioacuten bibliograacutefica de este

proyecto se reconoce a Ouyang y sus colaboradores como un grupo de trabajo con

autoridad en la materia concerniente a esta liacutenea de investigacioacuten

Ouyang y col (2005) en este otro artiacuteculo sentildealan que prepararon mezclas

SBScaolinita que demostraron mejorar exitosamente la estabilidad al almacenamiento

a altas temperaturas del asfalto modificado en comparacioacuten del modificado

exclusivamente con poliacutemero Encontraron que la relacioacuten de SBS respecto a la arcilla

tuvo un efecto muy significativo en la estabilidad al almacenamiento mientras que el

contenido de la arcilla presentoacute menor influencia en las propiedades mecaacutenicas del

asfalto

Salazar-Cruz (2010) en su tesis de maestriacutea utilizoacute un copoliacutemero SBS de

estructura radial y una montmorillonita tratada por medio de la intercalacioacuten de un

hidroxioligoacutemero de aluminio para modificar asfalto AC-20 De acuerdo con los

resultados de las pruebas de caracterizacioacuten de las mezclas finales observoacute

incrementos muy considerables en propiedades cruciales del asfalto como la

MARCO TEOacuteRICO

24

viscosidad el punto de reblandecimiento y la temperatura de falla determinada a partir

del estudio reoloacutegico del material Debido a los buenos resultados obtenidos en dicha

tesis se deduce la eficacia del tratamiento que aplicoacute para la modificacioacuten de la

montmorillonita natural con el catioacuten metaacutelico de aluminio Ademaacutes se concluyoacute que

al utilizar una proporcioacuten de 5 en peso del poliacutemero y concentraciones bajas de la

arcilla (1 y 3 en peso) los materiales estudiados en la mezcla mostraban mayor

afinidad pues a mayores concentraciones de la arcilla existiacutea sedimentacioacuten del

material lo cual fue constatado por medio de difraccioacuten de rayos X y mediante el

anaacutelisis morfoloacutegico de las muestras a traveacutes de microscopiacutea fluorescente

12 Generalidades del asfalto

121 Caracteriacutesticas generales del asfalto

La ASTM (American Society for Testing and Materials) define al asfalto como un

material de color cafeacute oscuro a negro en el cual los constituyentes predominantes

reciben el nombre de bituacutemenes este material puede encontrarse formado

naturalmente o bien se puede obtener por medio del procesamiento del petroacuteleo A su

vez el teacutermino bitumen es definido tambieacuten por la ASTM como una clase de sustancias

de aspecto obscuro obtenidas de manera natural o manufacturada compuestas

principalmente por hidrocarburos de elevado peso molecular algunas sustancias

bituminosas tiacutepicas son el asfalto la brea el alquitraacuten y las asfaltitas todas estas

sustancias bituminosas se diferencian entre siacute principalmente de acuerdo con el

meacutetodo por el cual se producen aunque por lo regular en todos los casos se ve

involucrado un proceso de destilacioacuten de aceites u otros materiales orgaacutenicos

Una de las fuentes maacutes importantes de asfalto natural es la Isla Trinidad cerca de

la costa noreste de Venezuela en donde existen grandes reservas naturales de este

material (asfalto del Lago Trinidad) En esta regioacuten existen varios yacimientos entre

los que sobresale un depoacutesito de asfalto de composicioacuten uniforme que ocupa una

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superficie de aproximadamente 04 km2 que se encuentra a una profundidad de 87

metros siendo este el depoacutesito natural de asfalto de mayor tamantildeo e importancia

comercial La primera aplicacioacuten de la que se tiene registro sobre asfalto utilizado en

la pavimentacioacuten de caminos es precisamente la del asfalto proveniente de esta isla

que fue utilizado en Estados Unidos en el antildeo de 1874 A principios del siglo XX

tambieacuten se exportaba a los Estados Unidos asfalto natural venezolano obtenido de

otro depoacutesito el Lago Bermuacutedez el cual se usoacute para aplicaciones de pavimentacioacuten e

impermeabilizacioacuten sin embargo el asfalto de este depoacutesito se agotoacute en la deacutecada de

los antildeos cuarenta

Otro suministro natural de asfalto son las denominadas ldquorocas asfaacutelticasrdquo que estaacuten

conformadas por minerales como la arenisca o la piedra caliza que contienen de 5 a

25 de asfalto Las rocas asfaacutelticas pueden encontrarse en yacimientos en los

estados de Texas Alabama Oklahoma Colorado California y Kentucky en los

Estados Unidos mientras que en Europa algunos depoacutesitos ampliamente explotados

se ubican en Seyssel Francia Ragusa Italia Val-de-Travers Suiza y Vorwohle

Alemania (Kirk-Othmer 2006)

Hasta la eacutepoca correspondiente a los primeros antildeos del siglo XX el asfalto que

maacutes se utilizaba era el formado naturalmente pero a partir de entonces la principal

forma de obtencioacuten de asfalto fue y sigue siendo la refinacioacuten de petroacuteleo En este

sentido resulta conveniente describir someramente las caracteriacutesticas principales de

esta fuente no renovable de energiacutea pues pese a los grandes esfuerzos emprendidos

para disminuir su uso y evitar las nocivas consecuencias que son provocadas por su

explotacioacuten hoy en diacutea sigue siendo una de las sustancias maacutes preciadas en el mundo

debido a su inestimable valor no solo en el aacutembito de la generacioacuten de energiacutea sino

tambieacuten porque a partir de eacutel se obtienen productos derivados de alto intereacutes industrial

El petroacuteleo es un producto natural localizado a grandes profundidades de la corteza

terrestre es una compleja mezcla de un importante nuacutemero de hidrocarburos que por

el meacutetodo de destilacioacuten fraccionada es susceptible de ser dividida en pequentildeos

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grupos de compuestos aprovechando sus diferentes volatilidades La composicioacuten

quiacutemica del petroacuteleo variacutea de acuerdo con la localizacioacuten del yacimiento de donde

provenga y de la antiguumledad del mismo pero el promedio establecido es de 83 a

86 de carbono y entre el 11 y 13 de hidroacutegeno mientras mayor sea el contenido

de carbono respecto al de hidroacutegeno el crudo contiene mayor cantidad de productos

pesados Se han estudiado diferentes crudos que demuestran que entre maacutes antiguos

sean es maacutes factible que presenten mayor proporcioacuten de hidrocarburos gaseosos y

soacutelidos que liacutequidos dentro de su composicioacuten (Mariacuten 2004)

El asfalto es un componente natural del petroacuteleo Para obtenerlo el crudo se

somete a destilacioacuten por medio de la cual se separan sus diversas fracciones y se

recupera entre otras sustancias el asfalto En la figura 11 se despliega un diagrama

general sobre la obtencioacuten del asfalto a partir del petroacuteleo crudo (Petroperuacute Diagrama

de flujo para asfaltos de petroacuteleo)

Figura 11 Esquema general del fraccionamiento del petroacuteleo crudo (Petroperuacute)

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El asfalto ha recibido su denominacioacuten por su apariencia fiacutesica y por su

consistencia La palabra asfalto deriva del teacutermino acadio ldquoassphaltu o sphallo

que significa resquebrajar dividir partir Los griegos le asignaron el significado de

firme estable seguro por sus maacutes antiguos usos del griego pasoacute al latiacuten luego a

Francia con el teacutermino asphalte y al ingleacutes con el teacutermino asphalt para llegar

finalmente a su concepto castellano asfalto El betuacuten asfaacuteltico ligante asfaacuteltico

aglutinante asfaacuteltico o sencillamente asfalto ha encontrado aplicacioacuten desde la

antiguumledad algunas de las piezas maacutes arcaicas fabricadas en un material denominado

lsquorsquomastic de bitumenlsquolsquo se encuentran en el museo de Louvre provenientes de la zona

donde hoy se encuentra Iraacuten y se estima datan de 2500 antildeos antes de nuestra era la

similitud de la composicioacuten de fragmentos provenientes de la zona del Mar Muerto con

el hallazgo de piezas proacuteximas a El Cairo Egipto que datan de unos 5000 antildeos

permiten pensar en la existencia de una relacioacuten comercial entre ambas zonas desde

entonces (Subiaga 2011) Hay evidencia de que los egipcios usaban asfalto para la

momificacioacuten de cuerpos humanos de hecho la palabra ldquomomiardquo se piensa que deriva

del teacutermino ldquomumiiardquo que era el vocablo con el que se referiacutea al asfalto proveniente de

la regioacuten de Judea

El asfalto tiene un rol predominante y creciente en varios sectores debido a sus

caracteriacutesticas y sobre todo por su bajo costo ya que este es en realidad un producto

de residuo que queda tras la refinacioacuten del petroacuteleo Las principales aacutereas de

aplicacioacuten del asfalto son la construccioacuten de carreteras la preparacioacuten de rellenos

para juntas de dilatacioacuten y su uso en diversas estructuras de impermeabilizacioacuten por

sus excelentes propiedades viscoelaacutesticas desafortunadamente presenta un

comportamiento completamente liacutequido a altas temperaturas y muy quebradizo a las

bajas lo que suele limitar su rendimiento en las aplicaciones finales a las cuales se

consigna siendo la aplicacioacuten vial aquella en donde por lo regular resultan maacutes graves

los perjuicios debido a esta clase de inconvenientes

Gran parte de la complejidad del asfalto radica en que es un liacutequido termoplaacutestico

que se comporta como un soacutelido elaacutestico a bajas temperaturas o cuando se le aplica

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raacutepidamente alguna carga por otro lado cuando se somete a altas temperaturas o a

la aplicacioacuten lenta de cargas tiende a comportarse como un liacutequido viscoso Esta

claacutesica dicotomiacutea que se presenta tambieacuten en otros materiales viscoelaacutesticos revela

la necesidad de trabajar en el mejoramiento del desempentildeo del asfalto para minimizar

la posibilidad de que se generen grietas por los esfuerzos que soporta a bajas

temperaturas y a las deformaciones plaacutesticas que tienen lugar a altas temperaturas

(Wardlaw 1992)

Por tanto el asfalto es un material complejo que debe cumplir un doble rol en las

mezclas en las que interviene debe impartirles propiedades viscoelaacutesticas y unir en

forma durable al resto de los componentes Estas importantes propiedades auacuten en la

actualidad pueden definirse con buena aproximacioacuten haciendo uso de teacutecnicas de

caracterizacioacuten apropiadas En la construccioacuten de carpetas asfaacutelticas el ligante debe

ser lo suficientemente fluido a altas temperaturas para ser bombeado y mezclado con

los agregados (material peacutetreo que forma el cuerpo de la carpeta de pavimentacioacuten)

pero tambieacuten debe ser adecuadamente riacutegido a temperatura ambiente para resistir la

deformacioacuten debida al traacutensito carretero no obstante tampoco debe serlo demasiado

de forma tal que se evite el agrietamiento a bajas temperaturas En consecuencia las

propiedades reoloacutegicas de los aglutinantes asfaacutelticos son de gran importancia porque

estaacuten directamente relacionadas con su desempentildeo en el campo

A pesar de que aproximadamente los mil trescientos tipos de crudos conocidos se

usan para obtener asfaltos no todos producen asfaltos iguales en cuanto a su calidad

y solamente cerca de un 10 de esos asfaltos se utilizan con la finalidad de aplicarse

para usos viales con un rendimiento del 3 Para mejorar esas caracteriacutesticas es

necesario agregar aditivos que modifiquen sus propiedades entre los cuales se

cuentan poliacutemeros aacutecidos rellenos y arcillas por mencionar algunos (Subiaga 2011)

Para trabajar al respecto se han desarrollado asfaltos modificados con poliacutemeros

estos han mostrado evidencia de una mejora sustancial en el rendimiento potencial de

las carpetas asfaacutelticas convencionales al aumentar su resistencia a la deformacioacuten y

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a la fatiga acompantildeado por el detrimento de la claacutesica vulnerabilidad inducida por

efectos teacutermicos El eje focal en el desarrollo de investigacioacuten en este sentido debe

ser que se garantice minimizar el riesgo de que exista separacioacuten de fases en el asfalto

modificado En este contexto el copoliacutemero SBS debido a su naturaleza se ha usado

como agente modificador de asfalto mientras que para superar el problema de la

separacioacuten de fases se ha encontrado que la introduccioacuten de arcillas minerales mejora

las propiedades del poliacutemero y en general estabiliza el asfalto modificado

El objetivo que se persigue tras la modificacioacuten de asfaltos con poliacutemeros es contar

con ligantes maacutes viscosos a temperaturas elevadas para reducir las deformaciones

permanentes de las mezclas que componen las capas de rodamiento de las carreteras

es decir aumentar su rigidez Por otro lado se busca disminuir el fisuramiento por

efecto teacutermico a bajas temperaturas y por fatiga aumentando su elasticidad

Finalmente se espera contar con un ligante de mejores caracteriacutesticas adhesivas

Otras propiedades que se busca impulsar en el asfalto modificado con respecto al

asfalto convencional son (Tonda 2004)

Mayor intervalo de plasticidad y mejora de la respuesta elaacutestica

Mayor cohesioacuten

Mayor resistencia a la accioacuten del agua y al envejecimiento

Las propiedades que los modificadores imparten dependen de los siguientes

factores

Tipo y composicioacuten del poliacutemero incorporado

Caracteriacutestica y estructura coloidal del asfalto base

Proporcioacuten relativa de asfalto y poliacutemero

122 Composicioacuten fiacutesica y quiacutemica del asfalto

Como se advirtioacute anteriormente el asfalto es un compuesto sumamente complejo

cuya composicioacuten quiacutemica es bastante variable dependiendo de su fuente de origen