El asfalto es, sin lugar a duda, uno de los materiales más antiguos utilizados por el hombre. Excavaciones arqueológicas revelan su empleo en épocas anteriores a nuestra era. Es así como por los años 3.000 al 2.500 A. De C., en Mesopotamia era utilizado como aglomerante en trabajos de albañilería y construcción de caminos y como impermeabilizante en estanques de agua y baños sagrados. Similares antecedentes se tienen de los años 2.500 al 500 A de C en Babilonia y del 1.440 al 600 A de C por los Asirios; incluso las citas bíblicas hablan de su empleo, como impermeabilizante en el arca de Noé.
En el sector de la construcción, la utilización más antigua se remonta aproximadamente al año 3200 A.C. Excavaciones efectuadas en TellAsmer, a 80 km al noreste de Bagdad, permitieron constatar que los Sumerios habían utilizado un mastic de asfalto para la construcción. Dicho mastic, compuesto por betún, finos minerales y paja, se utilizaba en la pega de ladrillos o mampuestos, en la realización de pavimentos interiores (de 3 a 6 cm de espesor), para tratamientos superficiales externos de protección y como revestimiento impermeable en los baños públicos. Este género de aplicaciones se repite en numerosas regiones de Mesopotamia, al igual que en el Valle del Indo (Mohenjo-Daro). A la sazón, los Egipcios le habían encontrado otra aplicación al betún, como relleno del cuerpo en trabajos de momificación, práctica que se extiende aproximadamente hasta el año 300 A.C.
Luego en 1595, Sir Walter Raleigh descubriera grandes yacimientos de la isla trinidad, se amplió el uso de asfaltos naturales. Las pavimentaciones pioneras datan de 1802 en Francia, 1838 en Estados Unidos y 1869 en Inglaterra.
La construcción del primer pavimento, tipo Sheet Asphalt, ocurre en 1876 en Washington D.C., con asfalto natural importado. En 1900 aparece la primera mezcla asfáltica en caliente, utilizada en la rue du Louvre y en la Avenue Victoria en París, la cual fue confeccionada con asfalto natural de la Isla de Trinidad. A partir del año 1902, se inicia el empleo de asfaltos destilados de petróleo en los Estados Unidos, que por sus características de pureza y economía en relación a los asfaltos naturales, constituye en la actualidad la principal fuente de abastecimiento.
Composición del Asfalto:
El asfalto es considerado un sistema coloidal complejo de hidrocarburos, en el cual es difícil establecer una distinción clara entre la fase continua y la dispersa. Las primeras experiencias para describir su estructura fueron desarrolladas por Nellensteyn en 1924, cuyo modelo fue mejorado más tarde por Pfeiffer y Saal en 1940, en base a limitados procedimientos analíticos disponibles en aquellos años.
El modelo adoptado para configurar la estructura del asfalto se denomina modelo micelar , el cual provee de una razonable explicación de dicha estructura , en el cual existen dos fases; una discontinua (aromática) formada por dos asfáltenos y una continua que rodea y solubiliza a los asfáltenos, denominada maltenos. Las resinas contenidas en los maltenos son intermediarias en el asfalto, cumpliendo la misión de homogeneizar y compatibilizar a los de otra manera insolubles asfáltenos. Los maltenos y asfaltenos existen como islas flotando en el tercer componente del asfalto, los aceites.
Propiedades Mecánicas Básicas:
Cuando el asfalto es calentado a una temperatura lo suficientemente alta, por encima de su punto de inflamación, este comienza a fluidificarse, a veces como un fluido Newtoniano y sus propiedades mecánicas pueden definirse por su viscosidad. A temperaturas más bajas, el asfalto es un sólido viscoelástico, sus propiedades mecánicas son más complejas y se describen por su módulo de visco-elasticidad, conocido como el módulo de stiffness.
La viscosidad de un asfalto es usualmente medida en un viscosímetro capilar en una manera similar a la que se miden los aceites lubricantes. Este método mide la viscosidad cinemática que se reporta en centistokes (cst). La dinámica o absoluta se mide en centipoises (cp) y puede obtenerse de la cinemática multiplicándola por la densidad a esa temperatura determinada.
Obtención y tipos:
Los materiales bituminosos que se utilizan en pavimentación se clasifican en: Alquitranes y Asfaltos.
Los alquitranes para pavimentación resultan de los procesos de refinación de alquitranes en bruto, que se originan en la destilación de la hulla, durante la fabricación de gas y carbón coque. Los asfaltos son materiales aglomerantes, de color oscuro, constituidos por mezclas complejas de hidrocarburos no volátiles de elevado peso molecular. Originarios de crudos de petróleo, en el cual están disueltos, pueden obtenerse ya sea por evaporación natural de depósitos localizados en la superficie terrestre (asfaltos naturales) o por procesos de destilación industrial.
Los asfaltos naturales pueden escurrir en depresiones de la superficie terrestre, constituyendo lagos de asfaltos, como los de las islas Trinidad y Bermudas, o aparecen impregnando los poros de algunas rocas, formando las denominadas rocas asfálticas como gilsonita. También se encuentran mezclados con impurezas minerales, con arenas y arcillas, en cantidades variables, siendo generalmente sometidas a procesos de purificación para ser utilizadas en pavimentación.
Actualmente la mayor parte del asfalto producido y utilizado en el mundo es extraído del petróleo, del que se obtiene exento de impurezas, siendo completamente soluble en sulfuro de carbono, tetracloruro de carbono o tricloroetileno.
Asfaltos derivados del petróleo:
Los asfaltos más utilizados en Chile son los que provienen de la destilación del petróleo. Según el origen del petroleo, la composición de la base se divide en:
Base asfáltica.
Base intermedia.
Base parafínica.
Los asfaltos para caminos provienen de los dos primeros tipos.
Para la obtención del asfalto, el petróleo es sometido a un proceso de destilación en el cual las fracciones livianas, como por ejemplo nafta y kerosene, son separadas de la base asfáltica por vaporización, fraccionamiento y condensación. La operación se desarrolla en una torre de fraccionamiento al vacío, con arrastre de vapor, a fin de lograr un proceso de refinado a temperaturas relativamente bajas, de manera de evitar un craqueamiento y como consecuencia la pérdida de sus propiedades aglomerantes.
El producto obtenido en el fondo de la torre posterior a la extracción de los componentes livianos, se denomina pitch. Con él se prepara el cemento asfáltico que, a temperatura ambiente, es un compuesto semisólido.
Este cemento asfáltico se obtiene en diferentes consistencias que se miden a través del ensaye de penetración y constituye el producto base a partir del cual se preparan los distintos tipos de asfaltos para pavimentación.
El elemento aglomerante activo que constituye un asfalto se denomina bitumen. Con el objeto de establecer una distinción entre los términos asfalto y bitumen, la American society for Testing Materials (ASTM) estableció las siguientes denominaciones:
Asfalto: material aglomerante de consistencia variable, de color negro a café oscuro, cuyo constituyente predominante es el bitumen, pudiendo encontrarse en yacimientos naturales o ser obtenido por refinación del petróleo.
Bitumen: mezcla de hidrocarburos pesados, obtenida en forma natural o por diferentes procesos físicos y químicos, con sus derivados de consistencia variable y con poder aglutinante e impermeabilizante, siendo completamente soluble en sulfuro de carbono.
Constituyentes del asfalto:
Existen varias clasificaciones para los grupos de constituyentes que componen el asfalto. Una de las más usuales es la que separa el asfalto en:
Asfaltenos.
Maltenos.
Estos últimos a su vez se dividen en resinas y aceites.
Asfaltenos:
Son compuestos de alto peso molecular, principalmente de naturaleza aromática con pocas ramificaciones. Se encuentran en sus cadenas en cantidades apreciables elementos como oxígeno, azufre y nitrógeno, los asfaltenos le dan la característica de dureza al asfalto y se encuentran disueltos en los maltenos.
Maltenos:
Resinas: son moléculas de menor peso molecular, que tienen un mayor número de ramificaciones en las cadenas. También se observa la presencia de azufre y nitrógeno en sus cadenas, pero con menos frecuencia.
Aceites: moléculas de peso molecular mucho menor. Sus cadenas son menos ramificadas y con pocos anillos.
Los maltenos están ligados con las propiedades elásticas del asfalto. Observamos que, al pasar de los asfaltenos hacia los aceites, existe una disminución gradual de compuestos aromáticos y un aumento en el carácter parafínico.
En forma general, la presencia de parafina influye en las propiedades reológicas del asfalto.
Las estructuras cristalinas de la parafina sólida ocasionan un endurecimiento mayor en el asfalto; a temperaturas más elevadas la parafina se licúa, lo que ocasiona una variación sensible en la viscosidad del asfalto. La parafina disminuye la adhesividad de los asfaltos con los agregados y una elevada cantidad de ella, puede provocar un envejecimiento prematuro del ligante, influyendo sobre la duración y tiempo de vida útil del pavimento.
Tipos de asfaltos:
La mayor parte de los asfaltos producidos son utilizados en trabajos de pavimentación, destinándose una porción menor para aplicaciones industriales, como impermeabilizantes, aislantes, etc.
De acuerdo con su aplicación, los asfaltos podemos clasificarlos en:
Asfaltos para pavimentos:
- Cementos asfálticos.
- Asfaltos cortados.
- Emulsiones asfálticas.
- Asfaltos modificados.
Asfaltos industriales:
- Asfaltos oxidados
Cementos asfálticos:
Los cementos asfálticos son preparados especialmente para el uso en la construcción de pavimentos asfálticos. Es un material ideal para su aplicación en trabajos de pavimentación, pues aparte de sus propiedades aglomerantes e impermeabilizantes, posee características de flexibilidad, durabilidad y alta resistencia a la mayoría de los ácidos, sales y álcalis. Se clasifican de acuerdo con sus consistencias, medida por el ensaye de penetración. En Chile los cementos asfálticos más empleados corresponden a los tipos C.A.60/70, C.A.85/100 y C.A.120/150.
La cantidad de asfalto contenido en el petróleo es variable y depende de varias características del crudo, principalmente su densidad, pudiendo variar entre un 10% y un 70%.
Los procesos de refinación para la obtención de asfaltos, dependen del rendimiento en asfalto que presente el petróleo. En los petróleos que presentan bajo rendimiento se utiliza la destilización en dos etapas; una a presión, seguida de otra al vacío.
Si el rendimiento de asfalto es alto basta la etapa de destilación al vacío. El proceso más usado es el de la destilación en dos etapas, pues produce asfaltos normalmente sin necesidad de instalaciones especiales. Consiste en una separación física de varios constituyentes del petróleo, por la diferencia de sus puntos de ebullición y de condensación. Si el crudo es bombeado a una unidad, calentada convenientemente y entra a la torre de destilación atmosférica donde es parcialmente vaporizado.
Las fracciones más livianas se evaporan sobre la torre. La diferencia de temperatura a lo largo de la torre, provoca la condensación de estos vapores, formando corrientes líquidas, las que son retiradas lateralmente como productos específicos.
Las fracciones más pesadas permanecen en estado líquido escurriendo al fondo de la torre, constituyendo la carga para la torre de fraccionamiento al vacío, después de un nuevo calentamiento.
En esta torre, las condiciones de operación (temperatura, vacío) permiten concentrar el residuo asfáltico y las variaciones de estas condiciones permiten el ajuste de la penetración del residuo.
La penetración de un asfalto procesado es baja con un aumento de la temperatura o del vacío en la torre de fraccionamiento. Inversamente, temperaturas y vacíos menores producen asfaltos con penetración más alta. El asfalto procesado se denomina cemento asfáltico de petróleo y se clasifica según su penetración.
Los cementos asfálticos se designan con las letras C.A., y se elaboran a partir de una combinación de asfaltos refinados de consistencia apropiada para trabajos de pavimentación. Se clasifican según su grado de dureza o consistencia, la cual se mide a través de un ensaye de penetración en décimas de milímetros. Es así como podemos distinguir los tipos C.A.40/50, C.A.60/70, C.A.85/100, C.A.120/150.
Ensaye de los cementos asfálticos.
Penetración. Mide la fuerza o consistencia del cemento asfáltico, mediante la penetración de una aguja normalizada con un peso total de 100 g, a una temperatura de 25 ºC durante 5 segundos. La unidad de penetración es 1/10 mm.
Ductilidad. Nos da la distancia en centímetros a la cual una probeta de cemento asfáltico es elongada antes de romperse. Se efectúa a 25 ºC con una velocidad de elongación de 5 cm/min.
Punto de inflamación. Indica la temperatura a la cual puede calentarse el cemento asfáltico sin peligro de inflamarse en presencia de una llama, se efectúa en un equipo normalizado llamado copa Cleveland.
Solubilidad. Permite obtener el grado de pureza de los cementos asfálticos. La mayoría de estos productos son totalmente solubles en tetracloruro de carbono, trocloroetileno u otros solventes adecuados.
La solubilidad simplemente es un proceso de disolución de 2 g de cemento asfáltico en un solvente adecuado y mediante un proceso de filtración se procede a separar y cuantificar el material insoluble.
Ensaye de película delgada. Procedimiento que simula las condiciones de endurecimiento que sufre el cemento asfáltico en las operaciones de mezclado en planta. Una muestra de 50 g se coloca en un platillo de modo de obtener una película de 3mm de espesor, se introduce el platillo en un horno de 163 ºC sobre el plato que gira aproximadamente de 5 a 6 r.p.m, durante 5 horas.
Efectuado este ensaye, la muestra se somete a ensayes de penetración, ductilidad u otros, comparando estas medidas con los originales. Las diferencias, como también la variación en peso, son índices del grado de endurecimiento que sufrirá el asfalto al asfalto al ser mezclado en planta.
Ensayo de la mancha. Aplicable a los cementos asfálticos derivados del petróleo, permite determinar la razón de los constituyentes del asfalto (asfaltenos/maltenos). Consiste en disolver 2 g de cemento asfáltico en 10.2 cc de una mezcla de heptano/xilol en distintas proporciones, en un baño de agua a ebullición; luego de reposar durante 15 minutos a 32 ºC y mediante una varilla, se deja caer una gota sobre un papel filtro. Si se forma una mancha café con un núcleo se informa como positivo; si es homogénea se informa como negativo. A medida que aumenta el porcentaje de Xilol el núcleo desaparece.
Aplicaciones:
El cemento asfáltico es un material termoplástico, reológico, ideal para aplicaciones en trabajos de pavimentación, pues además de sus propiedades aglutinantes e impermeabilizantes, posee características de flexibilidad y alta resistencia a la acción de la mayoría de ácidos, sales y álcalis.
Para su aplicación, debe estar libre de agua y homogéneo en sus características. Los cementos asfálticos más usados en chile corresponden al tipo C.A.40/50, utilizado en relleno de juntas y grietas, C.A.60/70 y C.A.85/100, en mezcla en planta en caliente para la construcción de base, blinder y carpeta de rodado, y el C.A.120/150 en tratamientos superficiales.
Restricciones de empleo: En los tratamientos superficiales existen restricciones en cuanto al empleo de los cementos asfálticos:
No deben ser calentados sobre 170 ºC, siendo la temperatura ideal la obtenida por la relación temperatura – viscosidad.
No se debe aplicar con tiempo amenazante de lluvia, temperatura ambiente inferior a 10 ºC y en superficies húmedas.
Debe evitarse el recalentamiento del producto y calentamientos locales.
Transporte y almacenamiento.
El transporte de cementos asfálticos puede efectuarse en tambores o a granel:
En el caso de tambores su entrega está limitada a obras de pequeña envergadura el transporte a granel puede efectuarse en camiones o vagones ferroviarios. Tanto el transporte como el almacenamiento a granel requiere calentamiento, existiendo los siguientes procesos:
Serpentines calentados con vapor de agua.
Serpentines calentados por circulación de aceite.
Serpentines calentados por gases de combustión.
Asfaltos cortados:
Los asfaltos cortados, también conocidos como asfaltos diluidos o cut-back, resultan de la dilución del cemento asfáltico con destilados del petróleo. Los diluyentes utilizados funcionan como vehículos, resultando productos menos viscosos que pueden ser aplicados a temperaturas más bajas.
De acuerdo con el tiempo de curado determinado por la naturaleza del diluyente utilizado, los asfaltos cortados se clasifican en:
- RC. Asfaltos cortados de curado rápido.
- MC. Asfaltos cortados de curado medio.
- SC. Asfaltos cortados de curado lento.
Sigla normalmente seguida de un número que indica el grado de viscosidad. Actualmente en el país, el asfalto cortado de mayor empleo es el MC-30, y en menor medida los tipos RC-250 y MC-250 para algunas áreas de urbanización en la zona norte. Los asfaltos cortados de curado lento no se utilizan y sólo se mencionan a modo de información.
Obtención: Los asfaltos cortados, son asfaltos líquidos que resultan de la dilución de cemento asfáltico en destilado de petróleo. Los solventes utilizados funcionan como vehículos, proporcionando productos menos viscosos que pueden ser aplicados a bajas temperaturas. Los solventes se evaporan después de su aplicación. De acuerdo con el tiempo de evaporación, determinado por la naturaleza del solvente, se clasifican en tres categorías:
RC asfaltos cortados de curado rápido.
MC asfaltos cortados de curado medio.
SC asfaltos cortados de curado lento.
Para la obtención de los RC se emplea bencina como solvente; en los MC, kerosene y en los SC, aceites. Estos últimos ya no se utilizan y se indican a modo de información adicional.
Cada una de las categorías presenta diferentes viscosidades, determinadas por la cantidad de solvente. Es así como los asfaltos cortados de tipo RC, pueden estar constituidos por los siguientes tipos: RC-70, RC-250, RC-800, RC-3000. Análogamente en el caso de los MC, tenemos los tipos MC-30, MC-70, MC-250.
Ensayos:
Punto de inflamación. Indica la temperatura a la cual puede calentarse el asfalto cortado sin peligro de inflamarse en presencia de una llama. Se efectúa en un equipo normalizado denominado copa abierta Tag.
Viscosidad. Indicación a la resistencia a fluir del asfalto cortado. La viscosidad se establece por el tiempo necesario, en segundos, para que una determinada cantidad de material pase a través de un orificio a cierta temperatura.
Destilación. Determina la cantidad de solvente contenido en los asfaltos cortados y su naturaleza, con lo cual se puede proveer el comportamiento en su aplicación (tiempo de curado). Se efectúa mediante destilación de una cierta cantidad de material, midiendo el volumen total destilado. El residuo de la destilación da el contenido de betún asfáltico.
Ensayes al residuo de la destilación:
Penetración. Mide la dureza o consistencia del residuo asfáltico, mediante la penetración de una aguja normalizada con un peso total de 100 g, a una temperatura de 25 ºC durante 5 segundos. La unidad de penetración es 1/10 mm.
Ductilidad. Determina la distancia en centímetros a la cual una probeta del residuo asfáltico es elongada antes de romperse. Se efectúa a 25 ºC con una velocidad de elongación de 5 cm/min.
Solubilidad. Da una idea de la pureza del residuo asfáltico. Consiste en un proceso de disolución de 2 g de residuo asfáltico en un solvente adecuado, como el tricloroetileno; mediante un proceso de filtración se procede a separar y cuantificar el material insoluble.
Ensaye de la mancha. Permite determinar la razón de los constituyentes del residuo asfáltico asfaltenos/maltenos. Consiste en disolver 2 g de residuo asfáltico en 10.2 cc de una mezcla de heptano/xilol en distintas proporciones, en un baño de agua a ebullición; luego se deja reposar durante 15 minutos a 32 °C y mediante una varilla se deja caer una gota sobre el papel filtro; si se forma una mancha café con un núcleo se informa como positivo y si es homogénea, como negativo. A medida que aumenta el porcentaje de xilol el núcleo desaparece.
Aplicaciones:
Como imprimante, se recomienda el uso de asfaltos cortados tipo MC - 30 para superficies de textura cerrada y MC - 70 para texturas más abiertas. La tasa de aplicación varía entre 1.0 a 2.0 l/m2, debiendo ser determinada experimentalmente en terreno, según la absorción de la base en 24 horas. El tiempo de curado generalmente es de 48 horas, dependiendo de las condiciones climáticas.
En la preparación de mezclas en frío, utilizándose asfaltos cortados del tipo RC-250, RC-800, MC-250, etc. Antiguamente se emplearon mucho en la zona norte del país en la preparación de mezclas en sitio, utilizándose asfaltos del tipo RC-250, MC-250, MC-820, SC-250, etc.
Restricciones de empleo:
En imprimación no se recomienda el empleo de asfaltos cortados de curado rápido debido a una penetración imperfecta del asfalto en la base, reteniendo un excedente de asfalto en la superficie.
Tanto en imprimación como en riego de liga, no se recomienda la construcción de un nuevo revestimiento si es que no se ha producido el curado total del producto, evitándose de este modo que la película de ligante actúe como superficie lubricante, ocasionando escurrimiento del revestimiento sobre el antiguo.
Las superficies imprimidas generalmente no necesitan riego de liga. No se debe emplear asfaltos cortados en días amenazantes de lluvia, a temperaturas inferiores a 10°C y en superficies húmedas.
Transporte y almacenamiento:
En el pasado, la casi totalidad del transporte de asfalto se efectuaba en tambores, pues los consumidores no contaban con estanques para recibir el producto a granel.
El producto así envasado además de ser más caro, no permitía en virtud de las dificultades inherentes a su manejo, suficiente desenvolvimiento en las faenas. Por esta razón fue evolucionando, limitándose la entrega de tambores para obras de pequeño volumen.
El transporte de asfalto a granel puede ser efectuado en camiones, vagones ferroviarios o transporte marítimo. De éstos, el más empleado es el transporte terrestre. Para las operaciones de carga y descarga, es necesario verificar si los estanques están suficientemente limpios, a fin de eliminar cualquier grado de contaminación.
Emulsiones asfálticas:
Son dispersiones de cemento asfáltico en fase acuosa, con estabilidad variable. El tiempo de quiebre y la viscosidad de las emulsiones dependen, entre otros factores, de la cantidad y calidad de los agentes emulsificantes. La cantidad de emulsificantes y aditivos químicos utilizados varía generalmente de 0.2% a 5%, y la cantidad de asfalto es del orden del 60% a 70%.
El color de las emulsiones asfálticas antes del quiebre es marrón y después del quiebre es negro, constituyendo esta característica un elemento auxiliar para la inspección visual y constatación rápida de la buena condición del producto. Las partículas de asfalto dispersas en la emulsión son visibles al microscopio variando su tamaño de 0.1 a 10 micrones.
Las emulsiones asfálticas se clasifican según el tipo de carga de partículas y tiempo de quiebre:
En cuanto a la carga de partícula, pueden ser:
Catiónicas.
Aniónicas.
En cuanto al tiempo de quiebre, puede ser:
Quiebre rápido.
Quiebre medio.
Quiebre lento.
En las emulsiones asfálticas, las dos fases en presencia de agua y betún asfáltico; pero como es imposible preparar una emulsión estable de estos materiales por sí solos, es necesario introducir en el sistema un tercer componente, un agente emulsionante, el cual se concentra en la capa interfacial de ambos materiales modificando considerablemente sus propiedades, logrando hacer estable la emulsión. Naturalmente, cada sistema de dos líquidos inmiscibles puede dar dos tipos de emulsiones completamente distintas dependiendo de cual sea la fase dispersa.
Como la mayoría de las emulsiones constan de una fase acuosa o polar y otra oleosa y no polar, los dos tipos fundamentales de emulsión suelen denominarse aceite en agua y agua en aceite.
Agentes emulsionantes:
Como hemos visto la composición de la emulsión asfáltica se basa en un producto no polar, el betún asfáltico, y otro polar, el agua. En general, los líquidos son buenos disolventes de sustancias que tengan las mismas características polares. Debido a que las moléculas del agente emulsionante deben fijarse en la capa interfacial entre el agua y el betún asfáltico, interesa que tengan afinidad por ambas sustancias, por lo que suelen emplearse productos químicos cuyas moléculas están compuestas por una parte no polar que tenderá a disolverse en el agua. De esta manera, las moléculas del agente emulsionante se sitúan en la capa exterior de los glóbulos de betún asfáltico con la parte no polar anclada en ellos y la polar en el agua.
Según la naturaleza, los agentes emulsionantes actúan por reducción de la energía interfacial, modificando el gradiente potencial interfacial o hidratando la superficie de las partículas.
Emulsiones aniónicas:
Los agentes emulsionantes empleados en la fabricación de emulsiones aniónicas son normalmente oleatos de sodio o potasio del tipo R-COO-Na+.
El radical R queda sumergido en los glóbulos de betún asfáltico y el grupo COO- unido a él, queda en la fase acuosa donde se disocian los cationes Na+.
Las moléculas del agente emulsionante cubren completamente el glóbulo de asfalto quedando así tapizado de radicales negativos y actúan como si estuviera cargado negativamente. Esta carga negativa impide el contacto directo del asfalto de los distintos glóbulos, por lo que éstos tienden a mantenerse separados y por lo tanto, estable la emulsión.
A causa de su carga negativa, los glóbulos de betún asfáltico de una emulsión aniónica tienen especial afinidad por las superficies iónicamente positivas, como son las de los áridos tipo calizas.
Tipos de emulsiones aniónicas.
Según la proporción y tipo de agentes emulsificantes empleados, se obtienen emulsiones de mayor o menor rapidez de rotura o quiebre. Las emulsiones generalmente se dividen en tres tipos según su velocidad de quiebre: emulsiones de quiebre rápido, medio y lento.
La nomenclatura empleada es: RS-1, RS-2, MS-2, MS-2H, SS-1, SS-1H. Los números 1 y 2 indican grados de viscosidad, la letra H indica residuo asfáltico duro.
Emulsiones catiónicas:
Los agentes emulsionantes empleados en la fabricación de emulsiones catiónicas son normalmente sales de amonio cuaternario Los radicales R1, R2, R3 y R4 se sumergen en los glóbulos de asfalto, y el nitrógeno N+ queda en la fase acuosa donde se disocian los aniones CL-, que es uno de los muchos que se pueden emplear en la práctica.
Las moléculas del agente emulsionante cubren completamente el glóbulo de asfalto, quedando así cubierto de radicales positivos y actuando con esa polaridad. Por este motivo tienen especial afinidad por las superficies de áridos iónicamente negativos, como son los áridos silíceos.
Tipos de emulsiones catiónicas:
Depende de su velocidad de quiebre, se clasifican en emulsiones de quiebre rápido, medio y lento. La nomenclatura empleada es: CRS-1, CRS-2, CMS-2, CMS-2H, CSS-1, CSS-1H. Los números 1 y 2 indican grados de viscosidad, la letra H indica residuo asfáltico duro.
Las emulsiones catiónicas suelen contener una cierta proporción de solvente que permite asegurar la buena compactación de los tratamientos superficiales y el manejo de mezclas o aglomerados después del quiebre de la emulsión en contacto con la piedra.
Quiebre de las emulsiones:
Como se ha visto anteriormente, el betún asfáltico contenido en la emulsión aniónica tiene gran afinidad con los áridos básicos, pero esta atracción electroestática no es capaz por sí sola de provocar el quiebre de la emulsión, sino que es preciso la eliminación de parte del agua de la emulsión por evaporación o absorción por parte de los áridos.
Una vez producido el quiebre, la carga eléctrica de las partículas de asfalto provoca que su adherencia a los áridos básicos sea muy buena. El quiebre puede producirse en presencia de humedad ambiente alta, pero en estas circunstancias, la película de betún asfáltico depositada sobre los áridos a veces contiene gran cantidad de agua que le da una consistencia poco resistente, que se conserva hasta que seca bien. Por lo tanto, siempre es preferible su empleo con buen tiempo.
Las emulsiones catiónicas rompen inmediatamente por reacción química en presencia de áridos de cualquier naturaleza, aún cuando estén húmedos. En cualquier caso no es aconsejable su utilización con tiempo amenazante de lluvia o con temperaturas por debajo de 5 ºC.
Viscosidad de las emulsiones:
La viscosidad de las emulsiones depende principalmente de:
La viscosidad de la fase acuosa.
El contenido de betún asfáltico.
La finura de la dispersión.
La viscosidad de la fase acuosa no es susceptible de grandes variaciones, de forma que las principales variables a considerar son el contenido de betún asfáltico y la finura de la dispersión.
Esta última depende de la dosificación y tipos de agentes emulsionantes empleados y del tipo de equipo emulsificador empleado, por lo que puede considerarse constante en una fabricación organizada. El contenido de betún asfáltico puede variarse dentro de ciertos límites, hasta un máximo teórico de 74.02%. este máximo corresponde a la hipótesis de esferas del mismo diámetro agrupadas en la máxima compacidad.
El contenido de betún asfáltico tiene gran influencia en la viscosidad de la emulsión, que crece muy rápidamente al acercarse dicho contenido al máximo teórico.
Contenido de betún asfáltico de las emulsiones:
El contenido de betún asfáltico en una emulsiones tiene directa relación con la viscosidad que se desea en el producto. Mediante el empleo de gráficos de viscosidad versus temperatura, se puede determinar la temperatura de riego adecuada para la viscosidad establecida en el proyecto.
En la práctica se emplean emulsiones hasta del 70% de contenido de ligante residual que deben utilizarse para tratamientos superficiales a 70 ºC. Estas emulsiones presentan la ventaja de que su alta viscosidad les impide fluir a los lados del camino. Las emulsiones al 60% a 65% pueden emplearse a temperaturas ambiente o con ligeros calentamientos en época fría.
Ensayos de las emulsiones asfálticas:
Viscosidad. Este ensaye da una indicación de la consistencia de las emulsiones. Para realizarlo pueden utilizarse diversos tipos de equipos, pero el principio en que se basan es el mismo en casi todos ellos. La viscosidad se determina por el tiempo necesario, en segundos, para que una cantidad dada de material pase a través de un orificio a una cierta temperatura. Este ensaye que determina la viscosidad en segundos Saybolt Furol pudiendo, naturalmente, expresarse en unidades de viscosidad equivalentes en otros sistemas.
Destilación. Determina la proporción de agua contenida en las emulsiones asfálticas, con lo cual es posible prever el comportamiento del ligante después de aplicado. Se realiza por ebullición de una cantidad determinada de material, midiendo el volumen total destilado, en las emulsiones, el residuo de destilación da el contenido de betún asfáltico.
Demulsibilidad. Aplicado a las emulsiones de quiebre rápido indica un grado de estabilidad al quiebre en contacto con los áridos. Se realiza con una muestra de 100g de emulsión a la que se añaden 35cc de solución de cloruro cálcico 0.02 N (si la emulsión es aniónica) o 35cc de dioctyl sulfosuccinato de sodio al 0.8% (si la emulsión es catiónica). Se determina el residuo que queda en el tamiz que, expresado en porcentaje del contenido total de betún asfáltico, se define como demulsibilidad de la emulsión.
Tamizado. Mediante este ensaye se determina si en las emulsiones existen principios de coagulación. Se realiza determinando la proporción de emulsión que no pasa por el tamiz 0.85 mm.
Carga de partícula. Permite identificar la polaridad de la emulsión. Se efectúa sumergiendo un par de electrodos en un vaso que contenga aproximadamente 200cc de emulsión. Luego se ajusta una corriente eléctrica mínima de 8mA. Cuando la corriente disminuye a 2mA o al final de 30 min, se sacan los electrodos y se lavan. Se observa en cual electrodo se deposita el asfalto. Si es el cátodo (polo negativo) corresponde a una emulsión catiónica, y si en el ánodo (polo positivo) la emulsión en aniónica.
Estabilidad. Permite establecer la estabilidad de almacenaje de las emulsiones asfálticas. Se realiza determinando los contenidos de bitumen asfáltico de las muestras tomadas desde la superficie y el fondo de una probeta en la que se han dejado 500 cc de emulsión en reposo durante 24 horas. La diferencia entre ambos contenidos, expresada en tanto por ciento, se define como estabilidad de la emulsión.
Mezcla con cemento. Tiene por objeto determinar la estabilidad de las emulsiones de quiebre lento en contacto con los áridos. Se realiza diluyendo con agua una muestra de emulsión, para que el producto diluido contenga un 55% de bitumen asfáltico residual. Se mezclan 100cc de la emulsión diluida con 50g de cemento y se determina el porcentaje de material que pasa por el tamiz 1.4 mm.
Aplicaciones:
Las emulsiones asfálticas de quiebre rápido son, sin duda, el ligante más adecuado para la ejecución de tratamientos superficiales, por su facilidad de empleo y su excelente adherencia a todo tipo de áridos, si se emplea la emulsión adecuada.
Las emulsiones asfálticas de quiebre medio y lento se emplean en la preparación de mezclas en frío, ya sea en planta o en sitio.
Las emulsiones de quiebre lento se emplean también para efectuar riegos de liga diluídas 1:1 en agua, y en la preparación de lechadas asfálticas y riegos negros (fog seal).
Restricciones de empleo:
En el caso de tratamientos superficiales deben tomarse en cuenta las siguientes condiciones:
No deben efectuarse riegos con tiempo amenazante de lluvia ni temperaturas ambientes inferiores a 10 ºC.
No deben emplearse emulsiones poco viscosas (RS-1 o CRS-1) en zonas con declives o peraltes pronunciados.
La temperatura de aplicación debe establecerse de acuerdo con la relación temperatura-viscosidad.
En general deben respetarse las dosificaciones establecidas por el proyecto, de manera de mantener la dosis exacta de ligante según sea el tipo de mezcla a preparar.
Transporte y almacenamiento:
Las emulsiones asfálticas generalmente se transportan a granel en camiones estanque, reservándose el envasado en tambores para obras de menor envergadura.
Previo a la carga, el estanque debe ser revisado de manera que esté completamente limpio, para evitar cualquier grado de contaminación. No deben mezclarse con productos como asfaltos cortados, pues éstos cambian sensiblemente las propiedades del residuo. Del mismo modo no deben mezclarse emulsiones de distintos grados o polaridad, como tampoco de diferentes proveedores. El almacenamiento debe efectuarse en estanques limpios, los cuales no necesariamente deben ser calefaccionados.
Asfaltos modificados:
Los asfaltos modificados, son asfaltos a los que se les incorpora un agente modificador, que generalmente es un polímero. Estos polímeros pueden ser: termoplásticos o elastómeros, siendo estos últimos los más usados. Las principales ventajas que les otorga a los asfaltos la incorporación de elastómeros son:
Disminución de la susceptibilidad térmica.
Disminución de la susceptibilidad a los tiempos de aplicación de carga.
Aumento de las resistencias a la deformación permanente.
Aumento de la adhesividad del asfalto con los áridos.
Actualmente se producen:
Cementos asfálticos elastoméricos.
Bitucret 60/80
Bitucret 80/100
Emulsiones asfálticas elastoméricas.
Bituflex R.
Bituflex LA.
Bituflex LC.
Las mezclas asfálticas para carpetas de rodado, constituyen el medio económico más seguro para dar y conservar las cualidades de una capa de rodado: Estabilidad y Rugosidad.
La intensidad de tránsito actual con vehículos cada vez más rápidos y pesados, los intensos esfuerzos de frenado y la avanzada tecnología de construcción de neumáticos antideslizantes, han hecho necesario mejorar la calidad de las carpetas. Frente a este desafío, la industria química ha debido investigar y desarrollar nuevos productos, destacando la incorporación de cauchos, polímeros o elastómeros al asfalto, lo cual ha permitido mejorar sus cualidades reológicas, principalmente la elasticidad, resistencia a la tracción y susceptibilidad térmica.
Tipos de modificadores:
Desde hace bastante tiempo se emplea caucho como modificador, ya sea natural o sintético, con tasas no superiores al 5%. Actualmente existen los polímeros sintéticos de formulación especial que resultan muy competitivos, asfaltos modificados con estos polímeros han sido ensayados en pavimentos de varios países.
Algunos tipos de polímeros:
Polímeros termoplásticos.
Polímeros de acetato de etileno-vinil (EVA).
Polietileno.
Polipropileno.
Cloruro de polivinilo.
Polibutadieno.
Elastómeros.
Poliisopreno.
Caucho de estireno-butadieno (SBR).
Copolímeros de estireno-butadieno-estireno (SBS).
Cauchos naturales (latex).
La obtención de una buena mezcla de asfalto y polímero, dependerá de que el polímero adicionado tenga una estructura química que le permita una buena dispersión en el asfalto, de modo de lograr una estructura de malla, la cual a su vez dependerá del grado de productos aromáticos que tenga el asfalto.
El grado de modificación de la elasticidad dependerá del tipo de polímero empleado y su concentración. Los nuevos procesos en los cuales el polímero se asocia con el asfalto a través de una reacción química, incrementan notablemente las propiedades reológicas del asfalto.
Ventajas de los asfaltos modificados:
La modificación de la reología del asfalto, otorga las siguientes ventajas frente a los asfaltos tradicionales:
Disminución de la susceptibilidad térmica, esto es, disminución de la fragilidad en tiempo frío y aumento de la cohesión en tiempo cálido.
Disminución de la susceptibilidad a los tiempos de aplicación de la carga.
Aumento de la resistencia a la deformación permanente y a la rotura, en rangos más amplios de temperaturas, tensiones y tiempos de cargas.
Mejora notable en la adhesividad a los áridos, ya sea mezclas asfálticas o tratamientos superficiales.
Emulsiones asfálticas elastoméricas:
Para obtener un ligante cuya flexibilidad sea la mayor posible, es necesario que el elastómero tenga un alto grado de polimerización. Como las altas temperaturas degradan las moléculas de las cadenas del elastómero su utilización en la preparación de emulsiones disminuye este riego. En estas condiciones la temperatura del elastómero no sobrepasará los 95ºC en un período muy corto durante la elaboración de la emulsión, temperatura que decrece rápidamente cuando se lleva al estanque de almacenamiento, para su posterior aplicación.
Este tipo de emulsiones presentan excelentes adhesividad frente a todo tipo de áridos, buena elasticidad a bajas y altas temperaturas, disminuyendo riegos de fisuración de épocas frías y de exudación en épocas de calor, aumentando con esto al rango de temperaturas de servicio.
Cementos asfálticos elastómericos:
Este tipo de asfalto modificado se obtiene de una reacción química a partir de un polímero monodisperso de tamaño pequeño, de fácil disolución en el asfalto.
Un análisis de peso molecular demuestra que de esta reacción binaria se obtiene un producto nuevo, complejo, de peso molecular mayor, en el cual se pueden encontrar partículas de polímeros asociados al asfalto, confiriéndole un alto grado de adherencia al producto y además, polímeros de cadenas largas, también solidarios al asfalto, que le confieren propiedades de cohesión y elasticidad al material.
Por otra parte, la reacción química asegura una alta estabilidad del producto, presentando una elevada inercia a agentes externos tales como sal, agua, radiación solar y al desgaste en el tiempo, por lo cual su vida útil aumenta considerablemente.
Asfaltos Oxidados:
Los asfaltos oxidados o soplados son asfaltos calentados y sometidos a la acción de una corriente de aire con el objeto de modificar sus características normales, y adaptarlos para aplicaciones especiales.
Los asfaltos oxidados son usados generalmente para fines industriales como impermeabilizantes, películas protectoras, etc. El proceso de oxidación produce en el asfalto las siguientes modificaciones físicas principales:
Aumento de peso especifico y consistencia.
Disminución de ductilidad.
Disminución de susceptibilidad térmica.
En cuanto a la composición química elemental del asfalto, los procesos de oxidación producen un aumento en el contenido de carbono y una correspondiente disminución del hidrógeno.
Función de los asfaltos en los pavimentos:
Entre muchas otras, son dos las funciones más importantes ejercidas por el asfalto en un pavimento.
Aglomerante.
Impermeabilizante.
Como aglomerante proporciona una íntima ligazón entre los agregados, capaz de resistir la acción mecánica producida por las cargas de los vehículos. Como impermeabilizante garantiza al pavimento una acción eficaz contra la penetración del agua proveniente tanto de las precipitaciones como del subsuelo, por acción capilar.
Ningún otro material garantiza mejor que el asfalto una ejecución económica y simultánea de estas funciones, al mismo tiempo que proporciona al pavimento características de flexibilidad que permiten su acomodo sin fisuramiento, ante eventuales consolidaciones de las capas subyacentes.
Naturalmente para que el asfalto desempeñe satisfactoriamente estas funciones que les son inherentes, es necesario que sea de buena calidad, y por, sobre todo, que en la ejecución del pavimento se respeten todas las especificaciones establecidas en el diseño.
El asfalto se presta particularmente bien para la construcción por varias razones:
Proporciona una buena unión y cohesión entre agregados, incrementando por ello la resistencia con la adición de espesores relativamente pequeños.
Capaz de resistir la acción mecánica de disgregación producida por las cargas de los vehículos.
Impermeabiliza la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de las precipitaciones.
Proporciona una estructura de pavimento con características flexibles. En la mayoría de los casos, al asfalto utilizado para pavimentar las calles, es el residuo delas refinerías después de haber destilado del petróleo crudo una gran cantidad de otros productos.
