Materiales bituminosos

Fuentes de Materiales Asflticos Depsitos Naturales Materiales asfalticos del petrleo

Descripcin y Uso de los Cementantes BituminososLos de uso ms comn son: Cemento asfltico Asfaltos de curacin lenta Asfaltos rebajados de curacin media Asfaltos rebajados de curacin rpida Emulsin asfltica

Cemento asfltico Se obtiene despus de los aceites lubricantes Son hidrocarburos semislidos con ciertas caractersticas fisicoqumicas que los hacen buenos agentes cementantes. Tambin son muy viscosos, y cuando se usan como cementantes en la construccin de pavimentos, es necesario calentar tanto los agregados como el cemento asfaltico antes de mezclar los dos materiales.

El grado especifico ha estado designado por su penetracin y por viscosidad El grado ms suave que se usa para la construccin de pavimentos en carreteras tiene un valor de penetracin de 200 a 300, y el mas duro tiene un valor de penetracin de 60 a 70.

Asfaltos de Curacin Lenta SC Tienen un viscosidad mas baja que la del cemento asfaltico y endurecen muy lentamente. Por lo general se designan como SC-70, SC-250, SC-800 o SC-3000, en donde los numeros se relacionan con la viscosidad cinematica en centistokes a 60 C

Estos asfaltos se obtienen a travs de la destilacin del petrleo crudo, o al rebajar el cemento asfltico con un destilado pesado tal como el Diesel.

Asfaltos rebajados de curacin media MC Se producen por fluidificacin, o rebajado del asfalto residual (generalmente de 120 a 150 de penetracin) con aceite combustible ligero o keroseno. El termino medio se refiere a la volatilidad media del diluyente utilizado de tipo keroseno.

Los asfaltos rebajados de curacin media endurecen mas rpidamente que los asfaltos lquidos de curacin lenta, aunque tienen una consistencia similar.

La fluidez de estos asfaltos depende de la cantidad de disolvente en el material. Por ejemplo, el MC-3000 puede tener solo 20% del disolvente por volumen, mientras que el MC-70 puede tener hasta 45%. Estos asfaltos pueden usarse en la construccin de bases de pavimento, superficies y tratamientos superficiales.

Asfaltos Rebajados de Curacin Rpida RC Estos se producen mediante la mezcla de cemento asfltico con un destilado del petrleo que se evapore fcilmente, facilitando con ello un cambio rpido desde la forma liquida en el momento de la aplicacin hasta la consistencia del cemento asfltico original. Para estos asfaltos generalmente se usa como disolvente a la gasolina.

El grado que se requiere para los MC esta dado por la cantidad de disolvente a aadir al cemento asfltico residual. Por ejemplo un RC 3000 requiere aproximadamente un 15% de destilado, mientras que el RC 70 requiere aproximadamente un 40%

Emulsion asfltica Los asfaltos emulsificados se producen mediante el rompimiento del cemento asfaltico, generalmente en el rango de penetracin de 100 a 250, en pequeas partculas y mediante su dispersin en agua con un emulsificante.

Estas pequeas partculas tienen carga elctrica y, por lo tanto, no se colisionan. Permanecen en suspensin en la fase liquida siempre que el agua no se evapore o el emulsificante no se rompa.

Por tanto, las emulsiones asflticas consisten de asfalto, que constituye aproximadamente del 55 al 70% por peso, agua y agente emulsificante, que en algunos casos puede contener un estabilizador.

Generalmente las emulsiones asflticas se clasifican en: aninicas, catinicas no inicas.

Generalmente los asfaltos aninicos y los catinicos se usan para el mantenimiento y la construccin de carreteras, aunque es probable que en el futuro puedan usarse las no inicas a medida que avanza la tecnologa de las emulsiones.

Cada una de las categoras anteriores se divide adicionalmente en tres subgrupos, que se basan en la rapidez con la cual la emulsin asfltica regresa al estado del cemento asfltico original.

Estos subgrupos son: Fraguado Rpido (RS) [Rapid Setting] Fraguado Medio (MS) [Medium-Setting] Fraguado Lento (SS) [Slow-Setting]

Una emulsin catinica se identifica colocando la letra C frente al tipo de emulsin; no se coloca ninguna letra frente a las emulsiones aninicas y no inicas. Por ejemplo CRS-2 denota una emulsin cationica. RS-2 denota una emulsin ya sea aninica o no inica.

Observe que las emulsiones aninicas contienen carga negativas, por lo que son ms efectivas en el tratamiento de los agregados que contienen cargas electropositivas, tales como piedra calizas.

Las emulsiones catinicas son ms efectivas con los agregados electronegativos tales como aquellos que contienen un alto porcentaje material silceo.

Las especificaciones para el uso de los asfaltos emulsionados estn dadas en AASHTO M140 y ASTM D 977

Propiedades de los Materiales Asflticos Consistencia Durabilidad Velocidad de curacin Resistencia a la accin del agua

Consistencia Generalmente se considera esta propiedad bajo dos condiciones: 1. La variacin de la consistencia con la temperatura 2. La consistencia para una temperatura especfica

La variacin de la consistencia con la temperatura La consistencia de cualquier material asfltico cambia a medida que cambia la temperatura. El cambio de la consistencia de los diferentes materiales asflticos puede diferir considerablemente an para la misma magnitud de cambio de temperatura. Susceptibilidad a la temperatura

Susceptibilidad a la temperatura La susceptibilidad a la temperatura de un asfalto dado, depende del petrleo crudo del cual se obtiene el asfalto.

La consistencia para una temperatura especfica La consistencia de un material asfltico va a variar de slido a lquido dependiendo de la temperatura del material. Por lo tanto, es esencial que cuando se d la consistencia de un material asfltico, tambin se d la temperatura asociada.

Durabilidad Cuando los materiales asflticos se exponen a los elementos del medio ambiente, tiene lugar gradualmente un deterioro natural, y finalmente los materiales pierden su plasticidad y se hacen frgiles.

Estos cambios los causan principalmente las reacciones qumicas y fsicas que tienen lugar en el material. Este deterioro natural del material asfltico se conoce como deterioro por intemperie.

Para que un asfalto de pavimentacin se comporte adecuadamente como cementante, el deterioro por intemperie debe minimizarse tanto como sea posible.

La capacidad de un material asfltico para resistir el deterioro por intemperie se describe como la durabilidad del material.

Algunos de los factores que influyen en el deterioro por intemperie son: La oxidacin La volatilizacin La temperatura El rea superficial expuesta El endurecimiento por envejecimiento

oxidacin La oxidacin es la reaccin qumica que tiene lugar cuando el material asfaltico es atacado por el oxigeno del aire. Esta reaccin qumica causa el endurecimiento gradual y finalmente el endurecimiento permanente y una perdida considerable de las caractersticas plsticas del material.

volatilizacin La volatilizacin es la evaporacin de los hidrocarburos ms ligeros del material asfltico. La prdida de estos hidrocarburos ligeros tambin provoca la prdida de las caractersticas plsticas del asfalto.

temperatura Se ha demostrado que la temperatura tiene un efecto significativo sobre la tasa de oxidacin y la volatilizacin. A mayor temperatura, mayor es la tasa de oxidacin y volatilizacin.

Sin embargo, la relacin entre el aumento de la temperatura y el aumento de las tasas de oxidacin y la volatilizacin no es lineal, el porcentaje de aumento en la tasa de oxidacin y la volatilizacin, es generalmente mucho mayor que el porcentaje de aumento de la temperatura que provoca el aumento de la oxidacin y la volatilizacin.

Se ha postulado que la velocidad de las reacciones orgnicas y fsicas en el material asfltico, se duplica aproximadamente por cada aumento de 10 C (50 F) de temperatura.

rea Superficial La superficie expuesta del material tambin influye en su tasa de oxidacin y la volatilizacin.

Existe una relacin directa entre el rea superficial y la tasa de absorcin de oxgeno y la prdida por evaporacin en gr/cm3/minuto.

Sin embargo existe una relacin inversa,, existe entre el volumen y velocidad de oxidacin y la volatilizacin. Esto significa que que la velocidad de endurecimiento es directamente proporcional a la relacin del rea superficial entre el volumen.

Este hecho es tomado en consideracin cuando se destinan mezclas de concreto asfltico a la construccin de pavimentos, al conservar los vacos de aire a un mnimo prctico que se requiere para la estabilidad, para reducir el rea expuesta a la oxidacin.

Velocidad de curacin El Curado se define como el proceso mediante el cual aumenta la consistencia un material asfltico, a medida que pierde el disolvente por evaporacin.

Velocidad de curacin de los materiales rebajados la velocidad de curacin de cualquier material asfltico rebajado depende de la destilado utilizado en el proceso de rebajado.

Esta es una caracterstica importante de los materiales rebajados, ya que la velocidad de curacin indica el tiempo que debe transcurrir antes de que un rebajado alcance una consistencia que sea suficientemente espesa como para que el cementante se comporte satisfactoriamente.

La velocidad de curacin se ve afectada tanto por factores inherentes como por factores externos.

Los factores inherentes ms importantes son: -La volatilidad del disolvente -Cantidad de disolvente en el rebajado -La consistencia del material primario

Entre mayor voltil sea el disolvente, ms rpido se evapora el material asfltico, y por lo tanto, es mayor la velocidad de curado del material.

Esta es la razn por la que la gasolina y el nafta se utilizan para rebajados de curacin rpida, mientras que el aceite ligero y queroseno son utilizados para los rebajados de curacin media.

Para cualquier tipo de solvente dado, entre menor sea la cantidad utilizada, es menor el tiempo que se requiere para que se evapore, y por lo tanto, el material asfltico va a curar ms rpido. Adems, cuanto mayor sea la penetracin del asfalto original, ms tiempo toma para que el asfalto reducido se cure.

Los factores externos importantes que afectan a la velocidad de curado son: -temperatura -Relacin entre el rea superficie y el volumen -Velocidad del viento sobre la superficie expuesta

Estas tres fuerzas externas estn relacionados directamente con la velocidad de curacin en que entre mayor sea cualquiera de estos factores, mayor es la velocidad de curacin.

Desafortunadamente, estos factores no se pueden controlar o predecir en el campo, lo que hace que sea muy difcil predecir el el tiempo esperado de curacin. Por lo tanto, las velocidades de curacin de los diferentes materiales asflticos normalmente se comparan con la suposicin de que los factores externos se mantienen constantes.

Velocidad de curacin de las emulsiones asflticas Las caractersticas de curacin y adhesin de las emulsiones (aninicas y catinicas) que se utiliza para la construccin de los pavimentos depende de la velocidad a la que el agua se evapora de la mezcla.

Cuando las condiciones climticas son favorables, el agua se desplaza con rapidez, y as la curacin progresa rpidamente.

Cuando las condiciones climticas incluyen una humedad elevada, bajas temperaturas, o una precipitacin inmediatamente despus de la aplicacin de la emulsin, su capacidad para una curacin apropiada se ve afectada negativamente.

Aunque el efecto de superficie y las condiciones climticas sobre la curacin adecuada es ms crtica para emulsiones aninicas, se requieren condiciones climticas favorables para obtener resultados ptimos tambin para las emulsiones catinicas. .

Una ventaja importante de las emulsiones catinicas es que liberan el agua ms rapidamente.

Resistencia a la accin del agua Cuando se usan materiales asfalticos en la construccin de pavimentos, es importante que el asfalto contine adherido a los agregados, incluso en la presencia de agua.

Si esta liga entre el asfalto y los agregados se pierde, el asfalto se ve despojado de los agregados, lo que resulta en el deterioro del pavimento. Por lo tanto el asfalto, debe sustentar su capacidad de adherirse a los agregados, incluso en presencia de agua.

Para el concreto asfltico que se mezcla en caliente y se coloca en caliente, donde los agregados se secan meticulosamente antes del mezclado, normalmente no se presenta la desadherencia y generalmente no toman medidas preventivas.

Sin embargo, cuando se aade agua a un concreto asfaltico de mezcla en caliente, y que se coloca en frio, generalmente se aaden aditivos comerciales para mejorar la capacidad del asfalto para adherirse a los agregados.

El Efecto de la Temperatura sobre el Volumen de los Materiales Asflticos El volumen de asfalto se ve afectado por cambios en la temperatura de manera significativa. el volumen se incrementa con un aumento de la temperatura y disminuye con la disminucin de la temperatura.

La tasa de cambio de volumen se da como el coeficiente de expansin, que es el cambio de volumen de un volumen unitario del material para un cambio unitario de temperatura.

Debido a esta variacin de volumen con la temperatura, los volmenes de materiales de asfalto por lo general se dan para una temperatura de 60 F (15.6 C).

Volmenes medidos en otras temperaturas se convierten en los volmenes equivalentes a 60 F mediante el uso de factores apropiados de multiplicacin, publicados por la ASTM en las Tablas de medicin del Petrleo (ASTM D-1250).

Pruebas de los materiales asflticos Varias pruebas se llevan a cabo en los materiales de asfalto para determinar tanto su consistencia y como su calidad para evaluar si los materiales utilizados en la construccin de carreteras satisfacen las especificaciones prescritas. (Normas AASHTO, ASTM, etc.)

Algunas pruebas son: Pruebas de consistencia Prueba de penetracin Prueba de flotacin Prueba del punto de ablandamiento Pruebas de durabilidad Velocidad de curacin Otras pruebas generales

Pruebas de Consistencia La consistencia de los materiales de asfalto es importante en la construccin del pavimento debido a que la consistencia, a una temperatura especifica indicar el grado del material. Es importante que se especifique la temperatura a la que se determina la consistencia, ya que la temperatura afecta significativamente la consistencia de los materiales asfalticos.

Como se dijo anteriormente, los materiales de asfalto puede existir en forma lquida, semislida o estado slido. Este amplio rango dicta la necesidad de ms de un mtodo para determinar la consistencia de los materiales asflticos.

La propiedad generalmente se utiliza para describir la consistencia de los materiales asflticos en estado lquido es la viscosidad, la que puede determinarse realizando ya sea la prueba de viscosidad de Saybolt Furol o la prueba de viscosidad cinemtica.

Las pruebas utilizadas para materiales asflticos en los estados semislidos y slidos incluyen la prueba la penetracin y la prueba de flotacin.

Prueba de viscosidad de Saybolt Furol

La parte principal de el equipo es el tubo viscosmetro estndar, que es de 5 pulgadas de largo y aproximadamente 1 pulgada de dimetro.

La parte inferior del tubo tiene un orificio de forma y dimensiones especificadas. El orificio se cierra con un tapn, y el tubo se llena con una cantidad de el material a ensayar.

El tubo estndar coloca en un bao ms grande de aceite o de agua (bao Mara) el cual se acopla a un calentador elctrico con un dispositivo de agitacin. El material en el tubo se lleva a la temperatura especificada calentando el bao.

Inmediatamente despus de llegar a la temperatura prescrita, el tapn se retira, y se registra el tiempo en segundos para que fluya a travs del orificio exactamente 60 ml de material asfltico. Esta tiempo es la viscosidad Saybolt Furol en unidades de segundos para la temperatura especificada.

Las temperaturas a las que se prueban materiales de asfalto para la construccin de carreteras son 25 C (77 F), 50 C (122 F) y 60 C (140 F).

Es evidente que cuanto mayor es la viscosidad del material, ms tiempo toma para que una cantidad determinada fluya a travs del orificio. Los detalles de los equipos y procedimientos para la realizacin de la prueba Saybolt Furol se dan en la AASHTO T 72-83.

Prueba de viscosidad Cinemtica

Se define como la viscosidad absoluta dividida por la densidad. La prueba utiliza un tubo de viscosmetro capilar para medir el tiempo que toma la muestra de asfalto en fluir a una temperatura dada entre marcas de tiempo en el tubo. Este ensayo se describe en detalle en la AASHTO T201.

Prueba Penetracin El ensayo de penetracin da una medida emprica de la consistencia de un material, en trminos de la distancia se hunde una aguja estndar en el material, para una carga y tiempo prescrito. A pesar que esta prueba esta siendo sustituida por pruebas ms fundamentales, todava se pueden incluir en las especificaciones de viscosidad de los cementos asflticos para asegurar lala exclusin de los materiales con los valores de penetracin muy baja a 25 C (77 F).

se coloca en un recipiente una muestra del cemento asfltico a ensayar, el cual a su vez se coloca en un bao de agua con temperatura controlada. La muestra se lleva a una temperatura prescrita de 25 C (77 F), y se deja que la aguja estndar (con una carga de peso total de 100 g) penetre en la muestra de asfalto durante el tiempo prescrito de exactamente 5 segundos.

La penetracin se da como la distancia en unidades de 0,1mm que la aguja penetra en la muestra. Por ejemplo, si la aguja penetra una distancia de exactamente 20 mm, la penetracin es de 200.

El ensayo de penetracin tambin puede llevarse a cabo a 0 C (32 F) o a 4 C (39.2 F) , con la aguja cargada con un peso total de 200 g, y con penetraciones permitidas durante 60 segundos.

Los detalles de la prueba de penetracin se da en la designacin AASHTO T49 y la prueba ASTM D5.

Prueba de Flotacin La prueba de flotacin se utiliza para determinar la consistencia de materiales asflticos semislidos que son ms viscosos que el grado 3000 o que tienen una penetracin superior a 300, ya que estos materiales no pueden ser probados convencionalmente usando la prueba de viscosidad de Furol Saybolt o la prueba de penetracin.

La prueba de flotacin se lleva a cabo con el siguiente aparato.

Consiste de un plato de aluminio (flotador), un collarn de bronce abierto en ambos extremos, y un bao de Mara.

El collarn de bronce se llena con una muestra del material a ensayar y luego se conecta al fondo del flotador y se enfra a una temperatura de 5 C (41 F) mediante inmersin en agua helada.

La temperatura del bao Mara se lleva a 50 C (122 F), y el collarn (todava conectado al flotador) se coloca en el bao Mara que se mantiene a 50 C (122 F).

La cabeza de agua poco a poco reblandece a la muestra de material asfltico en el collarn, hasta que el agua finalmente se abre camino a travs del tapn hasta el flotador de aluminio.

El tiempo en segundos que transcurre entre el instante en que se coloca el collarn en el bao Mara y en el que el agua se abre camino a travs de la tapn bituminoso es el valor de la prueba de flotacin y es una medida de la consistencia.

Es evidente que cuanto mayor sea el valor de la prueba de flotacin, ms rgido es el material. Los detalles de la prueba de flotacin se encuentran en la norma ASTM D139.

Pruebas de Durabilidad Cuando los materiales asflticos se utilizan en la construccin de pavimentos de carreteras, estos estn sujetoa a cambios de temperatura (congelacin y descongelacin) y otras condiciones climticas durante un perodo de tiempo.

Estos cambios causan envejecimiento natural del material que puede conducir a la prdida de la plasticidad, agrietamiento, abrasin anormal de la superficie, y el eventual fracaso del pavimento.

Una de las pruebas utilizadas para evaluar las caractersticas de la susceptibilidad de los materiales asflticos para los cambios de temperatura y otros factores atmosfricos es la prueba de Pelcula Delgada al Horno.

prueba de Pelcula Delgada al Horno Thin-Film Oven Test (TFO) En realidad, esto no es una prueba, sino un procedimiento que mide los cambios que tienen lugar en el asfalto durante el proceso de mezcla en caliente sometiendo al material asfaltico a condiciones de endurecimiento similares a las de una operacin normal de la planta de mezcla en caliente.

La consistencia de el material se determina antes y despus del procedimiento TFO utilizando la penetracin o una prueba de viscosidad para calcular la cantidad de endurecimiento que se llevar a cabo en el material cuando se usa para producir la mezcla en caliente en la planta de asfalto.

Velocidad de Curacin Las pruebas de la velocidad de curacin se basan en factores inherentes que pueden controlarse. En estas pruebas se compararan los diferentes materiales asflticos en el supuesto de que el los factores externos se mantienen constantes.

comnmente se utilizan la volatilidad y la cantidad de disolvente para indicar la velocidad de curacin. La volatilidad y la cantidad de disolvente puede ser determina a partir de la prueba de destilacin, las pruebas de consistencia se han descrito anteriormente.

Prueba de destilacin para asfalto rebajados

El aparato se compone principalmente de un matraz en el que se calienta el material, un condensador, y una probeta para recoger el material condensado.

Se mide y se vierte en el matraz una muestra de 200 cc del material a ensayar y el equipo se monta como se muestra en la imagen. El material es llevado al punto de ebullicin mediante su calentamiento con el mechero. El disolvente evaporado se condensa y se recoge en el cilindro graduado (probeta).

La temperatura en el matraz se supervisa de forma continua y la cantidad de disolvente recogido en la probeta se registra cuando la temperatura en el frasco llegue a 190 C (374 F), 225 C (437 F), 260 C (500 F), y 316 C (600 F).

La cantidad de condensado recogido a las diferentes temperaturas especificadas da una indicacin de las caractersticas de volatilidad del disolvente. El residual en el frasco es la base del asfalto utilizado en la preparacin de la reduccin (rebajado). Los detalles de este ensayo se expresan en la norma AASHTO T78.

Prueba de destilacin para emulsiones La prueba de la destilacin de las emulsiones es similar a la descrita para los rebajados. Una de las principales diferencias, es que el frasco de vidrio y mechero Bunsen se sustituyen por un de aleacin de aluminio fijas y un mechero de anillo. Este equipo evita los posibles problemas que puedan surgir de la espuma de la emulsin asfltica a medida que se calienta hasta un mximo de 260 C (500 F).

Ntese, sin embargo, que los resultados obtenidos de la utilizacin de este mtodo para recuperar el residuo de asfalto y para determinar las propiedades del material base de asfalto que se utiliza en la emulsin no siempre es exacta debido a los cambios significativos en las propiedades del asfalto. Estos cambios se deben a:

Las sales inorgnicas que provienen de la fase acuosa de concentracin en el residuos de asfalto El agente emulsionante y estabilizador del concentrando en el residuo del asfalto

Estos cambios, debido principalmente a un aumento de la temperatura, no ocurren en aplicacin de la emulsin en el campo, ya que la temperatura en el campo es generalmente mucho menor que la utilizada en la prueba de la destilacin.

Por lo tanto la emulsin en el campo, se rompe ya sea por va electroqumica o por la evaporacin del agua.

Otras Pruebas Generales