Tema 15 - Ligantes Bituminosos

LIGANTES BITUMINOSOS

Cemento Asfáltico Es un material bituminoso negro-café que se usa para ligar el agregado formando una masa sólida y cohesiva de concreto. Propiedades deseables      

Alta elasticidad a elevadas temperaturas Suficiente ductilidad a bajas temperaturas Baja susceptibilidad al cambio de temperatura Bajo contenido de parafina Buena adhesión y cohesión Resistencia al envejecimiento

Ligantes Bituminosos  Son materiales que contiene betún, un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono.  Son sustancias de color negro, sólidas o viscosas, termoplásticas, con buena adherencia con los agregados pétreos  A temperatura ambiente son sólidos o semisólidos  Existen dos tipo de ligantes bituminosos:  Alquitranes (brea)  Asfalto

 El uso del betumen como un material de ingeniería data de la antigüedad  Se los obtenía de afloramiento de rocas asfálticas y pozos de alquitrán Usos hoy en día • Concretos asfálticos • Membranas impermeabilizantes para techos • Plásticos • Selladores de fisuras o grietas • Inhibidores de corrosión

• Imprimadores de superficies • Pegamentos bituminosos y adhesivos • Productos prefabricados (láminas y placas)

ALQUITRANES • Producto hidrocarbonado semisólido o líquido, resultante de la destilación de la hulla. Su contenido de betún es menor que el de los asfaltos. • Resultan de la destilación del carbón de hulla • Presenta buena adhesividad con los agregados y resiste el ataque de los derivados del petróleo, pero presenta alta susceptibilidad térmica y envejecimiento rápido. • En la actualidad su uso vial es prácticamente nulo

ASFALTOS • Material aglomerante de color marrón oscuro a negro, de consistencia variable. Su contenido de betún es elevado • Pueden ser naturales u obtenidos por refinación de petróleo (manufacturados). Para estos últimos, es la fracción más pesada y la que tiene el punto de ebullición más elevado. • Nos interesa para el uso vial por su característica fundamental de ablandarse por efecto del calor y sus propiedades adherentes

Asfaltos naturales • Se encuentran en la naturaleza formando lagos, mezclados con arena o arcilla, y a veces impregnando rocas • Son poco abundantes y su extracción no presenta gran interés • El origen de estos betunes está en los petróleos que han subido a la superficie a través de fisuras y se han depositado allí; con el tiempo los materiales más ligeros se evaporaron, quedando los componentes de mayor viscosidad

Asfaltos en estado natural

Asfaltos artificiales  El crudo que llega a la refinería se calienta en un horno a temperaturas superiores a los 370°C  Se transporta a la torre de destilación (corazón de la refinería)  En la torre se fragmenta el crudo en diferentes componentes.    



Gases ligeros (butano, propano) Naftas Kerosene Gas oíl Lubricantes, parafinas, ceras y asfaltos

Asfaltos Derivados de Petróleo • El asfalto de petróleo tiene las mismas características de durabilidad que el natural, con la ventaja de ser refinado hasta una condición uniforme, libre de materias orgánicas y minerales extraños. • Los asfaltos mas utilizados en el mundo hoy en día, son los derivados de petróleo (mas del 90 % de la producción total de asfaltos). • Los petróleos se clasifican en:  Petróleos crudos de base asfáltica  Petróleos crudos de base parafínica  Petróleos crudos de base mixta (contiene parafina y asfalto).

• El asfalto procedente de ciertos crudos ricos en parafina no es apto para fines viales (precipita a temperaturas bajas, formando una segunda fase discontinua, lo que da como resultado propiedades indeseables, tal como la pérdida de ductilidad) • Con los crudos asfálticos esto no sucede, dada su composición.

Composición química del Asfalto     

80% – 85% Carbono 10% Hidrógeno 2% - 8% Oxígeno 1% - 7% Sulfuros Pequeños porcentajes de Nitrógeno y otros metales

Modelo de estructura química del Asfalto Modelo MICELAR  El asfalto es una solución coloidal, donde sus componentes llamados asfaltenos (fase discontinua) están rodeados por aromáticas (resinas) en forma de capas, dispersos un medio de aceites saturados (fase continua)  Los asfaltenos son los que le confieren las propiedades más importantes a los betunes (desde el punto de vista del interés vial)

Tipos de sistemas coloidales TIPO SOL  Las micelas asfálticas son pequeñas y bien protegidas contra la tendencia a su asociación y

se mueven libremente en su medio de dispersión  Provienen de crudo de base asfáltica  Poseen elevada ductilidad y gran susceptibilidad térmica

TIPO GEL

 De mayor voluminosidad, con tendencia a atraerse entre si, lo que genera puntos de contacto, produciendo una gelificación que da origen a una estructura interna rígida.  Provienen de crudo de base parafínica  Un ejemplo de estos lo constituyen los asfaltos soplados  Poseen baja ductilidad y escasa susceptibilidad

térmica.

TIPO SOL – GEL

 Tienen una estructura intermedia entre sol y gel, contiene parafina y asfalto  Provienen de crudo de base mixta  Los tipos Gel y Sol-Gel son utilizados como impermeabilización de techos, cañerías, etc.  Resisten deslizamiento a altas temperaturas y poseen menos fragilidad a bajas temperaturas

Propiedades del Asfalto Las propiedades más destacables de los asfaltos, desde el punto de vista de la técnica de construcción de caminos, son los siguientes:

A. Adherencia Facilidad que presenta el betún para adherirse a la superficie (seca) de una partícula mineral. Principal causa de las aplicaciones asfálticas viales Esta característica es muy importante en mezclas asfálticas, donde betún y áridos deben formar un conjunto homogéneo y continuo. Para mejorarla puede recurrirse al uso de activantes (mejoradores de adherencia)

Los Factores que intervienen en esta propiedad dependen de ambos componentes:

• Asfalto. Tensión superficial Viscosidad Composición química

• Agregado Textura superficial Composición química

B. Viscosidad Resistencia que ofrecen las partículas a separarse, debido a los rozamientos internos que ocurren en el seno del fluido. En el caso de los betunes, varía con la temperatura, lo que da una idea de la susceptibilidad térmica.

C. Susceptibilidad Térmica Propensión que presenta el betún a variar ciertas propiedades reológicas con la temperatura (especialmente la viscosidad). Esta propiedad permite manejar (trabajabilidad) las mezclas asfálticas con facilidad (mezclado y compactación) para luego presentar una mayor estabilidad a temperatura ambiente.

D. Plasticidad Define el comportamiento mecánico del betún, ante diferentes estados físicos y temporales de carga. Un betún poco plástico no soportará deformaciones excesivas sin que se produzcan fisuras o desprendimientos.

E. Envejecimiento Fenómeno de degradación y transformación química de los componentes del betún, que hacen que el betún pierda sus propiedades reológicas y adhesivas. Se deben básicamente a: Pérdida de volátiles Formación de sulfóxidos (S=O) y oxidación (C=O) Acción de la radiación solar (rayos ultravioleta) Acción de microorganismos Acción del agua y la presencia de humedad,

Clasificación de los Asfaltos Los betunes obtenidos en refinerías suelen llamarse betunes de penetración, por ser la penetración (medida en décimas de mm), bajo condiciones especificas de carga, tiempo y temperatura, el parámetro usado para clasificarlos. De acuerdo a los valores de Penetración, según la Norma IRAM 6604, se definen: P mín / P máx: TIPO P mín - P máx Penetración mínima y máxima respectivamente, Tipo I 40 - 50 permitida para un Tipo II 50 - 60 determinado Tipo de Betún (Cemento Asfáltico) Tipo III 70 - 100 Tipo IV

150 - 200

Tipo V

200 - 300

En función de su penetración, los cementos asfálticos se clasifican en 2 grandes grupos:  Blandos • Presentan altos valores de penetración, lo que los hace poco apropiados para zonas cálidas (pierden consistencia a temperaturas relativamente altas) • Por el contrario, son apropiados para zonas frías, al no volverse rígidos y quebradizos • Corresponden a esta clasificación los del Tipo IV, Tipo V

 Duros • Al contrario de los anteriores, son más consistentes (rígidos y viscosos) a altas temperaturas, los que los hace apropiados para zonas cálidas (no sufren deformaciones a temperatura ambiente elevadas) • Corresponden a esta clasificación los del Tipo I, Tipo II y Tipo III

Debido a la tendencia mundial de clasificar a los Cementos Asfálticos según su grado de viscosidad, se puso en vigencia (2002) la Norma IRAM 6835 (a 60ºC). CLASE

CA - 5

Ambito de Viscosidad (0,1 Pa.s)

400 - 800

CA - 10

CA - 20

CA - 30

CA - 40

800 - 1600 1600 - 2400 2400 - 3600 3600 - 4800

1 poise (1 P): Unidad de medida de la Viscosidad (Poiseuille) 1 poise (P) ≡ 1g·(s·cm)−1 ≡ 1 dina·s·cm−2 ≡ 0,1 Pa·s

V. Norma IRAM 6837. Medición de la viscosidad aparente del asfalto en un ámbito de temperatura entre 38 ºC y 200 ºC, empleando un viscosímetro rotacional con cámara termostatizada, de tipo Brookfield Thermosel o características similares

Cementos Asfálticos – Ensayos • • • • • •

Peso especifico a 25°C Punto de inflamación Ductilidad Penetración con aguja Punto de ablandamiento con anillo y esfera Índice de penetración

Ensayo de Punto de Inflamación •

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•

El objetivo es determinar la temperatura mínima a la que el asfalto produce flamas instantáneas al estar en contacto con fuego directo, así como aquella en que se inicia su combustión. En otras palabras, implica determinar la temperatura máxima a la cual puede ser calentado con seguridad un asfalto, sin que se produzca la inflamación instantánea de los vapores liberados por el mismo (riesgo de incendio). Vaso abierto Cleeveland: que consiste en llenar un vaso de bronce con un determinado volumen de asfalto, y calentarlo con un aumento de temperatura normalizado. Se pasa una pequeña llama sobre la superficie del asfalto a intervalos de tiempo estipulados.

Ensayo de Ductilidad •

Los asfaltos dúctiles tienen normalmente mejores propiedades aglomerantes. Sin embargo, asfaltos con una ductilidad muy elevada son usualmente susceptibles a los cambios de temperatura

•

Esta propiedad se determina mediante el estiramiento máximo que puede experimentar una muestra moldeada del betún en ensayo, la que va estrechándose a una velocidad determinada, hasta el momento en que se produce el corte en condiciones especificas, a 25°C.

•

La longitud del hilo del material en el momento del corte se mide en centímetros y se denomina ductilidad de la muestra.

• Molde y placa de bronce para contener la muestra de asfalto • Recipiente para contener agua • Sistema con un cabezal fijo y otro móvil

FIJACIÓN DE LA PROBETA A LOS CABEZALES

Ensayo

Corte de la Muestra

Ensayo de Penetración con aguja •

Permite determinar la consistencia relativa de un betún asfáltico midiendo la distancia que una aguja normalizada penetra verticalmente en la muestra en condiciones especificas de temperatura, carga y tiempo.

•

La unidad de penetración es la decima de milímetro.

Ensayo de Penetración con aguja • IRAM 6576 (ASTM D 5) • Ensayo ideado por H.C.Bowen en 1888, y ampliamente utilizado por A.W.Dow., equipo que con algunas modificaciones se utiliza actualmente. • Este consiste en una aguja estandarizada, la cual se libera por un tiempo determinado sobre la superficie del betún en determinadas condiciones de temperatura y con peso preestablecido. • La condición normalmente utilizada en 100 g de peso a 25`C de temperatura y 5 seg. de tiempo de liberación del peso indicado sobre la muestra. La unidad de penetración es la decima de milímetro. • Es decir es una medida de la profundidad de penetración en betunes, medida asociada a la consistencia del mismo. Este ensayo es de aplicación universal. Y aun es utilizado para clasificar a los asfaltos.

Ensayo de Punto de Ablandamiento con anillo y esfera • IRAM 115 (ASTM D 36) • Los asfaltos no poseen un punto de fusión determinado sino que se ablandan gradualmente • Para dar un valor a una propiedad similar a la de fusión se han desarrollado varios métodos, él mas conocido es el de anillo y esfera. • Bajo condiciones especificadas se vierte betún a ensayar en un anillo, se acondiciona a cierta temperatura, se coloca en el soporte especialmente diseñado con una bola de acero de 3,5g de peso sobre ella, se calienta gradualmente a cierta velocidad, hasta que el asfalto por acción del peso de la esfera y de la temperatura se deforme hasta una distancia de 1 pulgada. • En ese punto se registra la temperatura y es ésta la que se conoce como Punto de Ablandamiento del betún. • Ensayo de aplicación universal.

Índice de Penetración • Valor empírico que permite conocer la susceptibilidad térmica de los asfaltos. La susceptibilidad es inversamente proporcional al Índice de Penetración (IP). • Con los ensayos de Penetración y Punto de Ablandamiento podemos introducir el concepto de Susceptibilidad Térmica • El asfalto es un material termoplástico (a baja temperaturas se comporta como sólido, a altas temperaturas como liquido viscoso y a temperaturas intermedias tiene propiedades visco elásticas.

• En 1936 Pfieffer observa, al representar log (P) en función de T, una relación lineal entre el log (P) y la T, con una

pendiente relacionada a la susceptibilidad térmica del asfalto. • De la representación dedujo que los asfaltos tienen a la

temperatura correspondiente al Punto de Ablandamiento una penetración de 800. • El valor del IP va de –3 para betunes muy susceptibles a la temperatura hasta +7 para los betunes poco susceptibles a la temperatura. • Los asfaltos para uso vial van desde: 

IP = 1,5 (los menos susceptibles a la temperatura), a



IP = -0,5 (los más susceptibles a la temperatura)

Método Gráfico

Al relacionar dos datos de penetración a dos temperaturas diferentes, se puede obtener la susceptibilidad térmica del asfalto mediante el siguiente grafico de Heukelom.

Tipos de Productos Asfálticos Cementos asfálticos  Material muy pegajoso y altamento viscoso  Su consistencia varía con la temperatura

 Mediante la aplicación de calor disminuye su viscosidad, permitiendo mezclarse con agregados pétreos para la practica vial.  Deben calentarse tanto el asfalto como los agregados para hacer la mezcla.  Tiene muy baja permeabilidad.

Tipos de Productos Asfálticos Asfaltos diluidos (cut-backs)  Estos asfaltos fueron desarrollados para poder facilitar el empleo de los asfaltos en donde se requiere mayor fluidez a menores temperaturas. Se pueden hacer mezclas sin necesidad de calentar el asfalto  El cemento asfáltico es diluido mediante el agregado de fluidificantes (solventes) derivados del petróleo  El solvente se evapora en contacto con la atmósfera (al esparcirlo en el pavimento)  Los fluidificantes se evaporan (proceso de curado), quedando el residuo asfáltico el cual envuelve y cohesiona las partículas del agregado  Las características y proporción del fluidificante dependen de las propiedades deseables de aplicación del cemento asfáltico

Asfaltos diluidos (cut-backs)  Las temperaturas de destilación de los solventes sirven para definir la velocidad de curado del producto en obra  Se establecen 3 grupos de solventes de acuerdo al tiempo de curado  De Curado Rápido “RC”. Se utilizan diluyentes livianos de alta volatilidad, generalmente con un rango de destilación similar a la nafta. Norma IRAM 6608.  De Curado Medio “MC”. Se utilizan diluyentes medianos de volatilidad media, generalmente con un rango de destilación similar al kerosene. Norma IRAM 6610.  De Curado Lento “SC”. Se utilizan como diluyente hidrocarburos de baja volatilidad, con un rango de destilación similar al gas oil. Norma IRAM 6612.

 Son más caros, peligrosos, y ambientalmente inaceptables.

Tipos de Productos Asfálticos Asfalto emulsionado  Permite la aplicación del asfalto donde no es posible calentar el material  El asfalto emulsionado es una dispersión fina de cemento asfáltico (partículas de 3 a 8 micrones) en agua (fase continua), y una pequeña cantidad de un agente emulsionante  El asfalto tiene una naturaleza química hidrófoba, es decir, repulsión por el agua, por lo tanto la forma de mezclar estos dos componentes es la de usar un agente emulsificante.  El asfalto es emulsificado en un molino coloidal con 40 - 50% por peso de agua que contiene entre 0.5 y 1.5% por peso de emulsificante

Asfalto emulsionado  La función del emulsificante es: • Facilitar la dispersión de las partículas • Evitar la aglomeración de partículas al cargarlas a todas eléctricamente con la misma polaridad (se repelen), haciendo a la mezcla estable para almacenarla • Facilitar la adherencia a los áridos • Aumentar la resistencia al desplazamiento dada por el agua (aporta viscosidad)  Se clasifican en: • Básicas o aniónicas • Ácidas o catiónicas  Las aniónicas tienen buena adhesividad con los áridos calizos y las catiónicas con los silíceos y gran parte calizos

 Al ponerse en contacto con la superficie de los áridos, las partículas de asfalto se vuelven a juntar, formando así una película continua que recubre la superficie de los áridos. Este proceso se llama “Rotura de la Emulsión”  Según el tiempo de Rotura, se distinguen en: • Rotura rápida • Rotura media • Rotura lenta  IRAM 6691 para emulsiones catiónicas. Tienen residuos asfálticos de 68 y 60% para CRR-CRM-CRL  IRAM 6602 para emulsiones aniónicas. Tienen residuos asfálticos de 55 y 60% para ARR-ARM-ARL  Estabilidad de una Emulsión: • Al almacenamiento • A la rotura en presencia de filler

Usos del asfalto en ingeniería vial  Los Cementos asfálticos se usa para hacer mezclas

calientes de concreto asfáltico para uso en pavimentos flexibles (carpetas de rodamiento o Bases Negras).  Los Asfaltos líquidos se usan para mantenimiento de pavimentos, sellado de fisuras, y para hacer mezclas frías (con agregados).

 Los Asfaltos emulsionados se utilizan como riegos para imprimación, liga y/o curado. Se usan también para fabricar mezclas para bacheos, o para

estabilización de bases y subbases (suelo asfalto).

Asfaltos Modificados  Cementos Asfálticos cuyo comportamiento es mejorado en términos de su tolerancia a los esfuerzos y a los cambios térmicos.  La utilización de estos asfaltos se traduce en • Mayor durabilidad de las mezclas • Mejor adherencia con los áridos • Reducción de la susceptibilidad térmica (mayor capacidad de soportar elevados rangos de temperatura en servicio) • Eleva la resistencia a solicitaciones de cargas pesadas y alta frecuencia de tránsito (mayor resistencia a fatiga) Obs: no hay aditivo que cubra todas las mejoras.

Modificadores más empleados  Rellenos • Filler mineral (cal, cemento, cenizas) • Sílice de humo • Fibras

 Polímeros • Elastómeros • Termoplásticos

 Hidrocarburos

Polímeros utilizados  Plastòmeros: basados en polímeros de etileno (EVA). Efectos: • Disminuye la penetración • Aumenta el punto de ablandamiento • Incrementa el índice de penetración • Produce poco efecto sobre la ductilidad a 5ºC (poca capacidad de deformación a rotura a baja temperatura) • Aumento moderado la recuperación elástica por torsión  Elastómeros termoplásticos: generalmente de tipo SBS lineal. Efectos: • Disminuye la penetración • Aumenta el punto de ablandamiento • Incrementa el índice de penetración (más que el EVA) • Aumenta sustancialmente la ductilidad a 5ºC • Produce incrementos de importancia en la tenacidad • Aumenta de manera importante la recuperación elástica