MEMBRANAS IMPERMEABILIZANTES PREFABRICADAS BASE ASFALTO MODIFICADO CON POLÍMEROS UN MATERIAL DE ALTA

INGENIERÍA

Carlos R. Canales V. Ricardo Blanco P.

Grupo Industrial Alce S.A. de C.V. Resumen El asfalto fue uno de los primeros materiales termoplásticos usados por el humano y ha sido empleado durante muchos años como un producto impermeable. Sin embargo el asfalto puro está sujeto a un deterioro rápido debido a las variaciones bruscas de temperatura y al ataque de la luz solar. Así mismo, debido a su naturaleza termoplástica el asfalto tiene una importante desventaja: “Es muy sensible a la temperatura”. En climas fríos es duro y quebradizo, mientras que en climas cálidos es blando y fluye fácilmente. Debido a lo anterior, se han probado diferentes caminos tratando de mejorar sus propiedades, para minimizar la desventaja mencionada. En este trabajo se describe de manera genérica, ¿Qué es el asfalto, desde el punto de vista químico y reológico?; las formas en las que ha sido modificado a través del tiempo; también se muestra como son mejoradas las propiedades típicas como ablandamiento, penetración y viscosidad, así como algunas propiedades reológicas tales como G* y ángulo fase, muy importantes para el planteamiento del programa SHRP. Son mencionados también ¿Qué polímeros son los más recomendados en la modificación asfáltica y por qué?; se analiza brevemente el concepto compatibilidad físico/química de la mezcla Asfalto- Polímero y la importancia de ésta, en la generación de una microestructura adecuada de la cual dependen las propiedades. Finalmente se muestra que para conseguir un Asfalto Modificado óptimo para fabricar membranas impermeabilizantes con garantías desde 12 a 15 años, es muy importante cuidar el tipo de asfalto, el tipo y el porcentaje de polímero, la compatibilidad entre ellos, la tecnología de manufactura y la historia térmica de los materiales. Introducción Mientras que muchos pueden argumentar o discutir la teoría de Darwin acerca de la evolución del humano, pocos pueden refutar el hecho de que la tecnología desarrollada en este siglo ha tenido una tremenda evolución. La evolución de los recubrimientos para techos también ha tenido un desarrollo tecnológico rápido e importante sobre todo en los últimos 20 años, en donde se han explorado diferentes caminos con el fin último de mantener seco el interior de las edificaciones. Una de las

innovaciones en el asfalto modificado con polímeros. La idea atrás del producto es simple: combinar un agente impermeabilizante efectivo como el asfalto con polímeros de alto rendimiento para dar como resultado un material compuesto de Alta Ingeniería. El asfalto se ha modificado con el tiempo de varias formas: 1) Oxidándolo: que en realidad es una operación combinada de oxidación y remoción de

aceites en donde el ablandamiento cambia de 48-50ºC a 98-100ºC, pero queda muy rígido.

2) Catalizándolo: Con el objetivo de facilitar la reacción de oxidación sin “secar” demasiado

al asfalto, con ello el material mejora el ablandamiento, sin quedar muy rígido. 3) Modificándolo con polímeros: En la década de los 60’s surge en Italia la primera

modificación con poliolefinas termoplásticas tipo APP con el objetivo de mejorar las propiedades del asfalto. Posteriormente en la década de los 70`s se aplico el SBS para modificación en Alemania. En ambos casos se mejoran las propiedades globales quedando el material con una excelente flexibilidad.

Por otro lado, la importancia de modificar el asfalto con polímeros para mejorar sus propiedades para aplicación en pavimentos ha sido tan seriamente tomada, que en U.S.A desde hace 10 años aproximadamente, y con una inversión de 150 millones de dólares, se inicio un programa de optimización en la calidad y uso del asfalto conocido como SHRP (Strategy Highway Research Program), que va encaminado a la caracterización reológica de asfaltos y asfaltos modificados para determinar el grado de aplicación o comportamiento (Performance Grade PG) en pavimentos. De la misma forma y por extensión se pude establecer el PG para membranas impermeabilizantes y así poder contestar las siguientes preguntas: 1) ¿Qué tipo de asfalto necesito para esta aplicación? 2) ¿Cuál asfalto está disponible en el mercado? 3) ¿Cómo obtengo el asfalto que necesito para esta aplicación? Las dos primeras preguntas ya pueden ser contestadas con cierta precisión para cuestión pavimentos por medio de SHRP, sin embargo la última todavía requiere de un conocimiento básico del comportamiento de mezcla, a diferentes niveles de modificación. Para membranas existen también algunos criterios generales para la selección de asfalto y del polímero para la aplicación deseada y así poder contestar estas interrogantes. Este trabajo muestra un poco de la tecnología actual del asfalto modificado aplicado principalmente a impermeabilizantes. Compatibilidad asfalto – copolímero Generalidades del asfalto El asfalto puede ser descrito como una mezcla compleja de hidrocarburos de diferente naturaleza y propiedades. Dependiendo del origen del crudo y de la refinación, la composición y las propiedades químicas del asfalto son diferentes.

Debido a esta complejidad la caracterización química del asfalto se da en términos de 2 fracciones genéricas: 1) La primera se refiere a la fracción pesada, denominada como asfaltenos y 2) La segunda es la fracción ligera, denominada como maltenos. En la FIGURA 1 se amplía y se describe un poco más esta caracterización. 1) ASFALTENOS

(insolubles en heptano) Los Asfaltenos son productos cuyo peso molecular oscila de 4000 a 7000, son sólidos a temperatura ambiente y su naturaleza química consiste en hidrocarburos aromáticos polares que contienen heteroátomos y elementos metálicos con alto grado de asociación.

MALTENOS

(solubles en heptano) Los maltenos son la fracción ligera, con pesos moleculares de 700 a 4000. La parte malténica puede subdividirse en dos fracciones principales, siendo estas las siguientes: 2) RESINAS

Las resinas tienen pesos moleculares entre 2000 y 4000 y son sustancias solubles en disolventes clorados y sulfurados, que actúan como agentes peptizantes de los asfaltenos, su naturaleza química consiste en hidrocarburos aromáticos conteniendo heteroátomos, bases nitrogenadas y en general los componentes son polares; a las resinas también se les conoce simplemente como Aceites Aromáticos (Polares)

ACEITES

Son productos con peso molecular entre 700 y 2000. Los aceites que pueden ser de tipo: 3) Aromático-Nafténico

Son productos solubles en tolueno/metanol, con menor peso molecular que oscila entre los 1000 y 2000 con naturaleza química de hidrocarburos aromáticos no polares, es por ello que también es conocida esta fracción como aceites aromáticos no polares o simplemente como Aceites Nafténicos. 4) Saturado o Parafínico Por último la fracción de aceites de menor peso molecular que oscila entre los 600 a 1000 son aceites saturados o aceites parafínicos; son sustancias solubles en n-heptano y están constituidas principalmente de por hidrocarburos del tipo alifático. FIGURA 1. Composición química del asfalto

Generalidades de polímeros compatibles con asfalto El primer criterio de compatibilidad entre el asfalto y el polímero esta basado en el parámetro de solubilidad de Hildebrand. Si los valores de este parámetro entre componentes son del mismo orden de magnitud el sistema es compatible; en este caso polímeros que estén entre 16 y 18 son los adecuados para modificar asfalto cuyo valor promedio Hildebrand es: AC-5 = 17.6 y AC-20 = 17.9 En general existen tres clases de polímeros que se encuentran en este intervalo de solubilidad y que han mostrado ser los más eficaces en la modificación asfáltica.

1) Termoplásticos como el APP y EVA 2) Elastómeros como el EPDM o HULE NATURAL 3) Elastómeros Termoplásticos de copolímeros como el SBS en bloque Donde APP = AMORFO POLI PROPILENO EVA = ETIL VINIL ACETATO EPDM = ETIL PROPIL DIENO MONOMERO SBS = ESTIRENO BUTADIENO ESTIRENO

Estos materiales poseen los requerimientos termodinámicos óptimos para modificar efectivamente al asfalto; la característica primordial que deben poseer es que facilite la formación de estructuras reticuladas. El polímero (el material modificador) pueden ser miscible, parcialmente compatible o incompatible con el asfalto. Cuando la mezcla resulta incompatible su apariencia es la de dos fases, sin cohesión, ni ductibilidad (las fases se pueden observar a simple vista); en cambio cuando hay compatibilidad parcial la segregación de fases es uniforme (la observación es con microscopio óptico de fluorescencia); si la mezcla es 100% compatible se le denomina miscible y lo que tenemos es un material con mezclado a nivel molecular (la observación es con un microscopio electrónico). En la FIGURA 2 se muestra un diagrama de composición química de asfalto mostrando zonas de compatibilidad para SBS Y APP y la ubicación de los Asfaltos Nacionales.

FIGURA 2. Zonas de compatibilidad asfalto-polímero

Polímeros ligeramente compatibles o incompatibles, requieren de un proceso térmico o químico para tener éxito en la modificación. Un polímero puede ser incompatible con la mayoría de los asfaltos pero compatible con un asfalto en particular. La compatibilidad es por tanto función del tipo de asfalto, del tipo y porcentaje de polímero. Esta compatibilidad puede ser mejorada con compatibilizadores y/o estabilizadores. De los tres casos de compatibilidad mencionados, el que mejora y conserva más las propiedades de un asfalto es el parcialmente compatible debido precisamente a la microestructura formada. En la FIGURA 3 se muestran algunas microfotografías de mezclas asfalto-polímero.

FIGURA 3. Galería de microfotografías asfalto-polímetro

Resultado de mezcla asfalto-polímero y resultados en membranas

impermeabilizantes Como ya se comentó las variables importantes a estudiar son el tipo de asfalto (duro tipo AC-20 o blando tipo AC-5), la cantidad de polímero y tipo (APP, SBS, EVA) y la compatibilidad.

En este trabajo solo se muestran resultados de SBS y APP, los cuales fueron seleccionados cuidadosamente para el estudio y se reportan las pruebas físicas (Ablandamiento, Penetración Viscosidad y Flexibilidad en frío) en las FIGURAS 4 y 5; relaciones esfuerzo deformación y Módulo de Young E en la FIGURA 6 y Modulo complejo G* en la FIGURA 7, de mezclas con AC-20 con diferentes niveles de polímero. Como se puede observar en el conjunto de gráficas de las FIGURAS 4 y 5 todas las propiedades se mejoran conforme se aumenta la cantidad de polímero. Por ejemplo el Ablandamiento de la mezcla Asfalto-SBS de la FIGURA 4 aumenta de forma casi lineal de 0% a 8-10% de polímero y después su razón de cambio es menor en el intervalo de 10 a 20%. Así mismo en la viscosidad se nota un aumento de regimen en la región de 8-10% de SBS, al igual que la penetración alrededor del 7-8%. De igual forma la flexibilidad en frío sufre notable desarrollo en la misma región (7-8%). Lo anterior es una evidencia palpable de que es la región entre 8-10%, la mezcla sufre una inversión de fases es decir la parte elástica (SBS) empieza a dominar la parte viscosa (ASFALTO) y el sistema presenta una microestructura tipo panal de abejas, como el mostrado en la FIGURA 3, con la mezcla parcialmente compatible. La estructura anterior no siempre se consigue aún con las mismas cantidades de asfalto y SBS, esto solo es así cuando los componentes son parcialmente compatibles. En la FIGURA 5 están los gráficos correspondientes para las mezclas con APP, aquí nuevamente la evidencia de la inversión de fases se da en la región entre 18 y 25% en donde la mayoría de las propiedades ven un aumento considerable en sus resultados. Por otro lado en la TABLA 1 se indican algunos resultados obtenidos en la estabilización de mezclas a baja concentración de SBS (2% a 3%) con algunos aditivos comerciales, que permiten aumentar la compatibilidad y así inhibir o disminuir los efectos de envejecimiento. La prueba de estabilización consiste en colocar el sistema asfalto-SBS en una estufa a 160ºC durante 48hrs. sin agitar y así poder observar si hay separación de los componentes, normalmente cuando hay separación el polímero emigra a la superficie y el asfalto al fondo, de tal manera que midiendo las propiedades arriba y debajo de la mezcla y comparando los valores, es posible percatarse de la separación. Como es factible observar los valores del sistema sin estabilización son muy diferentes arriba y abajo; mientras en el sistema estabilizado los valores son muy parecidos, así mismo en la FIGURA 3 se muestran las microfotografías de un sistema estabilizado contra otro que no lo está, desde luego la formación de una red entre el asfalto y el SBS es la que ha estabilizado al sistema. La adición de polímero al asfalto también mejora las propiedades mecánicas, tal como se presencia en las curvas de esfuerzo-deformación de la FIGURA 6 de varias mezclas, aquí es muy notoria la elasticidad que va adquiriendo el sistema a través de los valores del Módulo de Young, que van desde 0.1 MPa para el asfalto puro, hasta 52 MPa de SBS puro. Otro conjunto de propiedades que se buscan mejorar son las reológicas, representadas por el Modulo Complejo G*, en la FIGURA 7 está mostrado el comportamiento de este Módulo como una función de la cantidad de SBS, medida a una temperatura de 60ºC; aquí es muy importante hacer notar que el incremento en este Módulo es muy grande conforme aumenta la cantidad de SBS, puesto que la escala es logarítmica.

Algo que es importante mostrar es el comportamiento en esfuerzo-deformación de un asfalto modificado con diferentes materiales, en la FIGURA 8 se tiene este comparativo y es notoria la gran elasticidad que tiene el SBS frente a los modificadores. Así mismo en la FIGURA 9 se comparan algunas propiedades de membranas hechas con asfaltos modificados con los mismos componentes de la FIGURA 8. Finalmente se ilustra en la FIGURA 10 un diagrama de flujo para elaborar asfalto modificado y membrana impermeable mostrando los puntos principales de muestreo y las normas internacionales que se usan para un Control Total de Calidad de los productos fabricados. Conclusiones Las membranas impermeabilizantes prefabricadas elaboradas con asfalto modificado con polímero, son las que pueden satisfacer los requerimientos modernos de construcción por que tienen: 1) Elasticidad más alta 2) Ductilidad más alta 3) Resistencia a la fluidez a altas temperaturas 4) Flexibilidad a bajas temperaturas 5) Estabilidad frente al medio ambiente (garantías de 12 a 15 años) 6) Aplicación más limpia y sencilla que otros sistemas Lo anterior no es producto de la casualidad, sino de la investigación y desarrollo de una tecnología avanzada. Referencias 1.- “Kraton – Thermoplastic Rubber in Asphalt Products” Technical Bulletin SC: 57-84, Shell

Chem. Co. (1987) 2.- “Asphalt Modification with Solprene Elastomers and Plastomers Improve Both High and

Low Temperature Performance”. Technical Bulleting 306, Phillips Petro. Co. Rubbers Chem. (1972)

3.- King, G., Brulé, E., “Preparation and Evaluation of Polymer Modified Asphalt Binders” Elf

Asphalt Lab., Terre Haute Indiana, presented of a Meeting of the Rubber Div., ACS, Las Vegas (1990)

4.- Paul, D., Newman, S., “Polymer Blends”, Academic Press, (1978) 5.- Corbett, L.W., “Composition of Asphalt Based on Generic Fractionation, Using Elution-

Adsorption Chromatography”, Analytical Chemistry, vol. 36, pag. 576 (1969) 6.- Bouldin, M., Collins, A., “Rheology and Microstructure of Polymer Asphalt Blends”, Shell

Development Co., presented of a meeting of the Rubber Division, ACS, las Vegas (1990)

7.- Cogneau, P., Goose, S., Thyrion, F., “Method for Evaluation of Bitumen Based on the Characteristics of Bitumen-Polymer Mixes”, Technical Bulleting from Alphamin Co. (1991)

8.- Ferry, J.D., “Viscoelastic Properties of Polymers”, third edition John Wiley, N.Y. (1980) 9.- Blanco, R. “Estudio Reológico Estructural del Composito Asfalto-Copolímero de SBS en

Amplio Intervalo de Concentración” Tesis Doctoral (1999)

Propiedades Asfalto puro AC-20 Asfalto Modificado no - estabilizado

Asfalto Modificado estabilizado

arriba abajo arriba abajo arriba abajo

Abland (ºC)

55 55 90 61 78 77

Pen. (dmm)

58 58 37 25 25 26

Visco. 135ºC (cps)

500 500 3406 1203 3937 3719

Visco. 180ºC (cps)

----- ----- 547 172 422 406

aditivo 1 – Resina tipo Fenólica

Propiedades Asfalto puro AC-20 Asfalto Modificado

no - estabilizado Asfalto Modificado

estabilizado

arriba abajo arriba abajo arriba abajo

Abland (ºC)

55 55 90 61 80 80

Pen. (dmm)

58 58 37 25 32 32

Visco. 135ºC (cps)

500 500 3406 1203 2404 2872

Visco. 180ºC (cps)

----- ----- 547 172 319 320

aditivo 2 – Resina tipo Poliéster

TABLA 1. Propiedades del Asfalto Modificado al 3% con SBS no estabilizado y estabilizado con aditivos.