2, Apuntes de Materiales y Sistemas Constructivos. Universidade da Coruña (UDC)
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2, Apuntes de Materiales y Sistemas Constructivos. Universidade da Coruña (UDC)

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Apuntes de Ingeniería Materiales de construccion Bituminosos parte 1 Existen varias referencias al asfalto en la Biblia, aunque la terminología usada puede ser bastante confusa.
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UNIVERSIDADE DA CORUÑA E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos

Materiales Bituminosos

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Materiales de Construcción.

Materiales bituminosos.

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Materiales Bituminosos

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1.- Introducción 1.1.- Historia 1.2.- Conceptos generales

2.- Naturaleza: composición. 2.1.- Clasificación general 2.2.- Composición química

3.- Obtención de los materiales bituminosos. 3.1.- Alquitrán. 3.2.- Betunes naturales 3.3.- Betunes artificiales 3.4.- Betunes fluidificados y fluxados 3.5.- Emulsiones bituminosas 3.6.- Materiales que mejoran las características de los betunes

Materiales bituminosos. Índice Bloque 4

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1- Introducción. Historia • Historia

– Existen varias referencias al asfalto en la Biblia, aunque la terminología usada puede ser bastante confusa.

– Los Sumerios, 3.800 AC, usaron asfalto y existen tanques de agua particularmente bien preservados.

– Los egipcios fueron un hábil exponente: impermeabilización de los techos de palacios e ingrediente en sus caminos empedrados. El proceso de momificación también.

– Los betunes, junto con el barro, fueron los primeros materiales que utilizó el hombre.

– Eran utilizados ya en Mesopotamia 3800 años a.C. porque tenían buenas propiedades adhesivas e impermeables.

– Finales del siglo XIX se introdujeron los actuales usos de los materiales bituminosos, se comenzaron a utilizar productos que se obtenían del carbón (alquitrán), betunes naturales y luego el betún manufacturado a partir del crudo de petróleo.

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1- Introducción. Historia

– El consumo intensivo del asfalto en obras viales fue debido a: • La aparición del automóvil con rueda neumática. • La explotación masiva del petróleo cuya industrialización lo

convirtió en productor principal de asfaltos. – Al principio uso limitado, por su escasa disponibilidad, a la

pavimentación de calles en Europa y E.E.U.U.

– El uso del automóvil buenos caminos para mayor seguridad y confort.

– El transporte comercial dependencia "camión-camino"

amplias carreteras para más y mejores vehículos.

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1- Introducción. Historia

– El petróleo produjo importantes volúmenes de betún aptos para un directo uso vial (mezclas asfálticas) y diluidos con las fracciones ligeras (cut-backs).

– Las emulsiones bituminosas de tipo aniónico aparecieron en 1.905, mientras que las catiónicas lo hicieron entre 1.951 y 1.957 en Europa y EE.UU. respectivamente. Tanta actividad vial hizo que se hablara de la "era del automóvil y la construcción de carreteras".

– No llevaban tratamiento superficial. Los recogían de las superficies de los lagos (de un material consolido) y que ellos utilizaban como material aglomerante. Estos lagos se siguen explotando en USA y Sudamérica.

– A veces estos betunes impregnan rocas porosas y se las conoce como rocas asfálticas; y fueron el primer material bituminoso utilizado en pavimentación (en Francia, Italia, País Vasco... podemos encontrar estas rocas).

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1- Introducción. Historia – En España:

• Se empleo por primera vez de forma significativa los materiales bituminosas en El Circuito Nacional del Firmes Especiales en 1926, en un total de 200 km de vía.

• La red de carreteras española está formada por unos 165.000 km, sin incluir las carreteras y calles en medio urbano, ni las carreteras o caminos agrícolas o forestales.

• Además de unos 490.000 km de calles y carreteras urbanas gestionadas por los ayuntamientos.

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1- Introducción. Generalidades

• Descripción general de los materiales bituminosos: – Naturaleza: Los materiales bituminosos son materiales aglomerantes

de naturaleza orgánica. Mezclas complejas de hidrocarburos. – Origen: Provienen del petróleo crudo o del carbón. – Utilización:

• En construcción y conservación de pavimentos de carreteras y calles, aeropuertos, áreas industriales, aparcamientos, pistas deportivas, etc.

• Impermeabilizaciones. – Dos tipos principales:

• Betunes. • Alquitranes.

Amplia gama de variedades en cada caso.

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Materiales Bituminosos

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• Características los materiales bituminosos: – Fácil puesta en obra. – Buena adhesividad a los áridos con los que los vamos a unir. – Buena cohesión entre las partículas, para que pueda soportar sin

romperse a los esfuerzos a los que le vamos a someter. – Baja susceptibilidad térmica: esto significa que cuando se ponga en

obra tenga comportamiento plástico, ya que este material viscoso cuando se calienta puede llegar a deformarse permanentemente y cando esta sometido a bajas temperaturas se fragilaza pudiendo llegar a romperse.

– Envejecimiento lento, para que no pierda las características con el tiempo y que así resulte más rentable el material.

– Elevada impermeabilidad.

1- Introducción. Generalidades

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• Inconveniente de los materiales bituminosos – el envejecimiento (baja durabilidad) se alteran fácilmente con

las acciones atmosféricas: • Radiación solar • Variaciones da temperatura, tanto diarios como estacionales. • Heladas y las sales fundentes empleadas contra ellas.

– Causas de deterioro de los firmes: • El tráfico. • Los factores ambientales.

1- Introducción. Generalidades

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1.- Introducción 1.1.- Historia 1.2.- Generalidades

2.- Naturaleza: composición. 2.1.- Clasificación general 2.2.- Composición química

3.- Obtención de los materiales bituminosos. 3.1.- Alquitrán. 3.2.- Betunes naturales 3.3.- Betunes artificiales 3.4.- Betunes fluidificados y fluxados 3.5.- Emulsiones bituminosas 3.6.- Materiales que mejoran las características de los betunes

Materiales bituminosos. Índice Bloque 4

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2- Naturaleza: Clasificación general

• Clasificación general: – Betún: Producto sólido, o líquido viscoso mezcla de hidrocarburos

naturales o pirogenados (o combinaciones) solubles en sulfuro de carbono.

• Tiene propiedades de impermeabilidad • Tiene propiedades de adhesividad y cohesión • Durabilidad: es poco volátil • Susceptibilidad térmica: se ablanda gradualmente al calentarse. • Dos tipos según su origen:

– Betunes naturales: son aquellos que aparecen en la naturaleza. » Asfalto Betún (natural o artificial) + materia mineral inerte.

– Betunes artificiales: subproductos de obtención del petróleo a partir de diversos procesos.

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Alquitranes: conjunto de hidrocarburos • Origen: se obtienen de la destilación destructiva de sustancias

que contienen materia orgánica como: hulla, turba, antracita, lignito, madera …

– El construcción (en general) subproductos de obtener gas ciudad y coque metalúrgico.

» El alquitrán bruto le somete a un proceso de destilación, donde vamos separando aceites de distinta finura, y al final nos va a quedar sólo la brea.

» La brea unida a aceites de distintas densidades nos va dar obtener el alquitrán con el que vamos a trabajar.

2- Naturaleza: Clasificación general

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Asfalto lacustre

Asfalto mineral

Betún natural

Betún artificial

Betún

Alquitranes de carbón

Alquitranes de madera

Alquitrán

Materiales bituminosos Ligantes hidrocarbonados

2- Naturaleza: Clasificación general

Betún asf. penetración

Betún asf. oxidación

Betún asf. otros

Betún asf. modificado

Betún asf. fluidificado

Betún asf. fluxado

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• Analogías entre betunes y alquitranes – Ambos son mezclas complejas de hidrocarburos solubles en sulfuro

de carbono. – Presentan una amplia gama de variedades en cada caso. – Viscosidad variable con la temperatura. – Se utilizan en construcción y conservación de firmes de carretera.

• Son manejables durante la puesta en obra. • Buena adhesividad a los áridos. • Cohesión: capacidad de soportar las cargas del tráfico. • Durabilidad: resistencia a los agentes atmosféricos.

2- Naturaleza: Clasificación general

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• Diferencias entre betunes y alquitranes: – Origen: los betunes pueden ser naturales u obtenidos a partir del

petróleo, mientras que los alquitranes se obtienen por destilación destructiva carbón.

– La viscosidad de los betunes es poco susceptibles a la temperatura, mientras que la de los alquitranes es notable.

– Su respuesta al envejecimiento es diferentes, así, mientras los betunes tienen un comportamiento aceptable, los alquitranes presentan un mal comportamiento.

– Por último el peso molecular de los betunes es mayor que el de los alquitranes.

2- Naturaleza: Clasificación general

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• Composición química betunes: – Es muy complicada, pero su composición

elemental se basa en: – De la composición no se pueden deducir

propiedades realización de ensayos

Carbono (C) 80-85% Hidrógeno (H) 10-15% Oxígeno (O) 2-3% Nitrógeno (N) 0-1%

– Lo es normal hacer una separación como en el alquitrán: • Carboides: Insolubles en S2C. En poca cantidad y se obtienen

cuando han sufrido de cracking. Dan rápido envejecimiento. • Carbenos: Solubles en S2C e insoluble en tetracloruro de carbono.

Hasta un 2% cuando han sufrido un proceso de cracking ó de oxidación fuerte. Ocasionan pérdida de adhesividad y ductilidad.

Asfaltenos: Insolubles en éter de petróleo y solubles en tetracloruro de carbono. La mayoría formados por hidrocarburos aromáticos.

Maltenos: Solubles S2C , en éter de petróleo, tetracloruro de carbono. Son aceites.

La mayor parte del betún está formado por asfaltenos y maltenos.

2- Naturaleza: Composición química

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– La estructura del betún presenta forma de un coloide donde: • Maltenos: fase continua consistente en fluido aceitoso (medio de

dispersión). • Asfaltenos: fase discontinua (micelas).

– Es un coloide tipo gel, donde hay interacciones entre las micelas que requieren cierto esfuerzo deformarla.

– Cuando más asfaltenos y menos maltenos tenemos más viscosidad.

R i

Betunes blandos Betunes duros

2- Naturaleza: Composición química

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1.- Introducción 1.1.- Historia 1.2.- Generalidades

2.- Naturaleza: composición. 2.1.- Clasificación general 2.2.- Composición química

3.- Obtención de los materiales bituminosos. 3.1.- Alquitrán. 3.2.- Betunes naturales 3.3.- Betunes artificiales 3.4.- Betunes fluidificados y fluxados 3.5.- Emulsiones bituminosas 3.6.- Materiales que mejoran las características de los betunes

Materiales bituminosos. Índice Bloque 4

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• Obtención del alquitrán – Se obtienen por destilación, en ausencia de

aire, de carbones minerales (hullas, lignitos y turbas) y de la madera.

3- Obtención. Alquitranes

HullaTurba Lignito

Madera

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– En construcción los más utilizados provienen de: • las hullas (como subproductos en las fábricas de

gas ciudad, combustible utilizado actualmente). – La hulla se calienta en cámaras cerradas a 1200ºC

dejando como residuo coque – Las materias volátiles ricas en hidrocarburos se se

llevan a un condensador donde dejan como residuo alquitrán y agua. En una segunda condensanción se obtiene más alquitrán y amoníaco

– El gas procedente de las fábricas se almacena en grandes depósitos cilíndricos llamados gasómetros.

• Los hornos de coquización: El coque es un combustible muy importante para la fabricación del hierro y el acero, se emplea en el alto horno.

• El alquitrán (unos 40 kg/Tn de carbón) varía: – Composición de carbón. – Procedencia: gas u hornos de coquización. Coque metalúrgico

Horno de coque

3- Obtención. Alquitranes

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3- Obtención. Alquitranes

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3- Obtención. Alquitranes

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– Alquitrán bruto • Obtención: por destilación destructiva de carbón o madera es el

producto residual de un proceso de valor industrial más importante (producción de coque metalúrgico o producción de gas ciudad).

Características técnicas: producto poco viscoso y con alto contenido en agua. Poco poder aglomerante. Rápido envejecimiento por endurecimiento superficial (el procedente del coque por oxidación y el procedente del gas ciudad por evaporación de volátiles).

Utilización: el alquitrán bruto no se utiliza en carreteras por razones: – Económicas: contiene productos de alto valor económico: benceno,

antraceno. – Técnicas: características anteriores

• Productos de destilar el alquitrán bruto: – Aceites ligeros, medios, pesados y de antraceno. – Brea (50-60%).

3- Obtención. Alquitranes

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• Destilación del alquitrán: La destilación fraccionada del alquitrán bruto se esquematiza según el siguiente proceso:

– Hasta 170ºC..............Aceites ligeros – De 170 a 205ºC.........Aceites fenólicos – De 205 a 240ºC.........Aceites de naftaleno – De 240 a 280ºC.........Aceites lavados – De 270 a 340ºC.........Aceite de antraceno y breas – Brea: residuo de la destilación fraccionada del alquitrán bruto. Más o

menos porcentaje según proceda de fábrica de gas o horno de coque (50–60%).

Brea de carbón: residuo de la destilación fraccionada del alquitrán bruto

3- Obtención. Alquitranes

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– Alquitrán reconstituido • Obtención: Mezcla de brea con aceites proveniente de la

destilación. • Características:

– Son productos de distintas viscosidades y propiedades de endurecimiento y reblandecimiento (características de endurecimiento y reológicas) susceptibles de mejorarse mediante polimerización con resinas sintéticas: polivinilos, epoxi, poliéster.

– El principal inconveniente es un rápido envejecimiento que conlleva un endurecimiento de la capa más externa, que se haría frágil y podría romperse e incluso desaparecer.

Utilización: el alquitrán se emplea ampliamente en países con minas de carbón y sin petróleo por razones económicas. Empleo en mezclas en frío

3- Obtención. Alquitranes

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