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Introducción El asfalto es un material viscoso, pegajoso y de color negro; su consistencia es variable, está constituido mayoritariamente por una mezcla de hidrocarburos pesados. Se encuentra en yacimientos naturales o se obtiene por refinación del petróleo y es usado como aglomerante en mezclas asfálticas para la construcción de carreteras o autopistas (entendiéndose como aglomerante aquellos materiales capaces de generar fuerzas para unir fragmentos de una o varias sustancias o materiales y dar cohesión al conjunto por métodos físicos). También es utilizado en impermeabilizantes, material en forma de placa o lámina de distinta naturaleza (fieltros asfálticos, materiales de polímeros sintéticos, membranas de fibras orgánicas, etc.), destinado a impedir el paso del agua en forma líquida a través de la instalación. Puede formar parte de esta, en el caso de que el pavimento se encuentre en planta baja y la solera de hormigón apoye directamente sobre el suelo natural, colocándose entonces inmediatamente encima de la solera. Está presente en el petróleo crudo y compuesto casi por completo de bitumen (producto semi-sólido extremadamente pesado de la refinación del petróleo, compuesto de hidrocarburos pesados utilizado para construcción de caminos y para impermeabilización de techos). Los principales yacimientos de roca asfáltica están en Europa y Norteamérica, pero hay depósitos en todo el mundo. Los asfaltos de roca norteamericanos suelen componerse de arenisca o caliza o una mezcla de ambas, impregnadas con betún; los calizos se diferencian por su estructura física de los que contienen arenisca. Los asfaltos de roca se usan para pavimentar calles. Se mezclan uno o varios asfaltos de roca pulverizados para obtener una composición media, se extiende la mezcla, se aplica calor si es necesario, y por medio de presión se iguala la superficie.
Composición del asfalto
Los asfaltenos son una familia de compuestos químicos orgánicos, resultan de la destilación fraccionada del petróleo crudo y representan los compuestos más pesados y por tanto, los de mayor punto de ebullición. Estadísticamente son compuestos similares de cadenas largas, muchos de ellos aromáticos y con polaridad(propiedad de las moléculas que representa la desigualdad de las cargas eléctricas en la misma) relativamente alta, los asfaltenos son insolubles en los maltenos. Los maltenos son la fracción soluble en hidrocarburos saturados de bajo punto de ebullición. Están constituidos por anillos aromáticos, nafténicos y con muy pocas cadenas parafínicas. Generalmente existe mayor proporción de maltenos que de asfaltenos cuando se habla de asfaltos. El mayor contenido de maltenos es lo que le da la calidad a un asfalto, esto quiere decir que la naturaleza química de los maltenos regula en gran parte las propiedades químicas de los asfaltos. Fracciones del asfalto:
- Asfaltenos : son sólidos, se consideran la estructura del asfalto.
El asfalto a menudo se confunde con el alquitrán de hulla o la brea. El alquitrán de hulla proviene del carbón de piedra, no del petróleo. El asfalto es una sustancia sólida o semisólida. Se mezcla con solventes para volverlo más líquido y más fácil de trabajar. Algunos de los solventes que se usan para mezclar con el asfalto son nafta, tolueno y xileno. Estos solventes son sustancias peligrosas, inflamables, muy apestosas y que aumentan los peligros potenciales de los trabajos con asfalto. Existen muchos diferentes tipos y grados de asfalto que se usan actualmente. Asfaltos Derivados de Petróleo Los asfaltos mas utilizados en el mundo hoy en día, son los derivados de petróleo, los cuales se obtienen por medio de un proceso de destilación industrial del crudo. Representan más del 90 % de la producción total de asfaltos. La mayoría de los
petróleos crudos contienen algo de asfalto y a veces casi en su totalidad. Sin embargo existen algunos petróleos crudos, que no contienen asfalto. En base a la proporción de asfalto que poseen, los petróleos se clasifican en: -Petróleos crudos de base asfáltica. -Petróleos crudos de base parafínica. -Petróleos crudos de base mixta (contiene parafina y asfalto). El asfalto procedente de ciertos crudos ricos en parafina no es apto para fines viales, por cuanto precipita a temperaturas bajas, formando una segunda fase discontinua, lo que da como resultado propiedades indeseables, tal como la pérdida de ductilidad. Con los crudos asfálticos esto no sucede, dada su composición. El petróleo crudo extraído de los pozos, es sometido a un proceso de destilación en el cual se separan las fracciones livianas como la nafta y kerosene de la base asfáltica mediante la vaporización, fraccionamiento y condensación de las mismas. En consecuencia, el asfalto es obtenido como un producto residual del proceso anterior. El asfalto es además un material bituminoso pues contiene betún, el cual es un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2). El alquitrán obtenido de la destilación destructiva de un carbón graso, también contiene betún, por lo tanto también es un material bituminoso pero no debe confundirse con el asfalto, ya que sus propiedades difieren considerablemente. El alquitrán tiene bajo contenido de betún, mientras que el asfalto está compuesto casi enteramente por betún, entre otros compuestos. El asfalto de petróleo moderno, tiene las mismas características de durabilidad que el asfalto natural, pero tiene la importante ventaja adicional de ser refinado hasta una condición uniforme, libre de materias orgánicas y minerales extraños. Obtención de Asfaltos en Refinerías: El crudo de petróleo es una mezcla de distintos hidrocarburos que incluyen desde gases muy livianos como el metano hasta compuestos semisólidos muy
a presión alta y temperaturas relativamente moderadas (70 a 120 ºC). El gas licuado extrae el aceite y queda un residuo semisólido llamado "bitumen". -Oxidación del asfalto : Es un proceso químico que altera la composición química del asfalto. Éste está constituido por una fina dispersión coloidal de asfaltenos y maltenos. Los maltenos actúan como la fase continua que dispersa a los asfaltenos. Las propiedades físicas de los asfaltos obtenidos por destilación permiten a los mismos ser dúctiles, maleables y reológicamente aptos para su utilización como materias primas para elaborar productos para el mercado vial. Al "soplar" oxígeno sobre una masa de asfalto en caliente se produce una mayor cantidad de asfaltenos en detrimento de los maltenos, ocasionando así de esta manera una mayor fragilidad, mayor resistencia a las altas temperatura y una variación de las condiciones reológicas iniciales. Propiedades 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(fluidos donde el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la rapidez de deformación) y sus propiedades mecánicas pueden definirse por su viscosidad. A temperaturas mas bajas, el asfalto es un sólido visco-elástico, sus propiedades mecánicas son mas complejas y se describen por su módulo de visco-elasticidad, conocido como el módulo de stiffness. Viscosidades de aplicación En muchas aplicaciones, el asfalto es calentado hasta hacerse lo suficientemente fluido para cada aplicación en particular. La siguiente tabla nos indica la viscosidad que debe tener el asfalto para una aplicación determinada. Se asume que la aplicación se llevará a cabo a la máxima viscosidad posible, es decir la mínima temperatura posible. En algunos casos, menores viscosidades pueden utilizarse,
dependiendo de los materiales que se utilicen, debido a que pueden ser dañados por la temperatura excesiva.
Aplicación Viscosidad requerida (cst) Spray 20- Llenado de Juntas 100- Mezclado con Filler 200 Impregnación 20- Impermeabilización 200- Pintado 600 Recubrimiento 1000 Bombear 1500-
Propiedades generales El asfalto tiene una alta resistencia (o una baja conductividad) y es en consecuencia un buen material aislante. La resistencia de todos grados comerciales decrece con el incremento de la temperatura. Asfaltos duros tienen una resistencia dieléctrica más alta que la de asfaltos menos viscosos; la resistencia dieléctrica decrece con el aumento de la temperatura. El asfalto es moderadamente un buen material aislante térmico. Los asfaltos son miscibles entre ellos en todas las proporciones. La penetración y el punto de ablandamiento de una mezcla de dos asfaltos puede ser estimada utilizando tablas. Bajo severas condiciones, el asfalto podrá ser fácilmente combustible y en algunas condiciones como ser en techados algunos retardadores de fuego pueden ser utilizados para reducir la inflamabilidad y la velocidad del fuego.
del resultado de este ensayo dependiendo del origen del crudo de petróleo con que se obtuvo el asfalto.
Pruebas A) El asfalto se presenta en una amplia variedad de tipos y grados normalizados. Con el fin de conocer o controlar la cantidad de asfaltos, se someten a ensayos específicos, según las normas específicas de la AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials). Los siguientes son algunos de esos ensayos de laboratorio:
1. Penetración: El ensayo de penetración determina la dureza o consistencia relativa, midiendo la distancia que una aguja normalizada penetra verticalmente a una muestra de asfalto en condiciones especificadas de temperatura, carga y tiempo. Cuando no se mencionan específicamente otras condiciones, se determina la penetración normal. Esta se hace a 25 'C, calentando la muestra en un baño de agua termostáticamente controlada, la aguja cargada con 100 g y la carga se aplica durante 5 segundos. La unidad de penetración es la décima de milímetro. Algunas veces se requiere una penetración adecuada al clima.
La medida de la penetración es la longitud que penetró la aguja en el cemento asfáltico en unidades de 0,1 mm. Ocasionalmente el ensayo de penetración se realiza a distinta temperatura en cuyo caso puede variarse la carga de la aguja, el tiempo de penetración, o ambos.
2. Viscosidad: La finalidad del ensayo de viscosidad es determinar el estado de fluidez de los asfaltos a las temperaturas que se emplean durante su aplicación. La viscosidad se mide en el ensayo de viscosidad Saybolt-Furol o en el ensayo de viscosidad cinemática. La viscosidad de un cemento asfáltico a las temperaturas usadas en el mezclado (normalmente 135 'C) se mide con viscosímetros capilares de flujo inverso o viscosímetros Saybolt; la viscosidad absoluta, a las temperaturas altas en servicio (60 'C), generalmente se mide con viscosímetros capilares de vidrio al vacío. La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad. Éste es el principio sobre el cual está basado el viscosímetro de Saybolt. La muestra de fluido se coloca en un aparato parecido al que se muestra en la figura.
La viscosidad cinemática se mide, normalmente, con viscosímetros de tubo capilar de cristal. Este ensayo permite una mayor comodidad y exactitud en los resultados. La base de éste ensayo es la medida del tiempo necesario para que fluya un volumen constante de material bajo condiciones de ensayo, como temperatura y altura del líquido, rígidamente controladas. Los asfaltos presentan un amplio rango de viscosidades, siendo necesario disponer de diversos viscosímetros que difieren en el tamaño del capilar. Mediante el tiempo medido, en segundos y la constante de calibración del viscosímetro, es posible calcular la viscosidad cinemática del material en la unidad fundamental, centiestokes. Las especificaciones de los cementos asfálticos clasificados según su viscosidad se basan por lo común en los rangos de viscosidad a 60ºC (140ºF). También se especifica generalmente una viscosidad mínima a 135ºC (275ºF). El propósito es dar valores límites de consistencia a estas dos temperaturas. Se eligió la temperatura de 60ºC (140ºF) porque se aproxima a la máxima temperatura superficial de las calzadas en servicio pavimentadas con mezclas asfálticas en los Estados Unidos y en cualquier otra parte del mundo en donde la construcción de caminos progresa; y la de 135ºC (275ºF), porque se aproxima a la de mezclado y distribución de mezclas asfálticas en caliente para pavimentación. Para el ensayo de viscosidad a 60ºC (140ºF) se emplea un viscosímetro de tubo capilar. Los dos tipos más comunes en uso son: el viscosímetro de vacío del Asphalt Institute (Fig. 3.47) y el viscosímetro de vacío de Cannon-Manning (Fig. 3.48). Se calibran con aceites normalizados. Para cada viscosímetro se obtiene un "factor de calibración", cuyo uso se describe luego. Generalmente, los viscosímetros vienen calibrados por el fabricante quien suministra estos factores.
El viscosímetro se monta en un baño de agua a temperatura constante, controlado termostáticamente (Fig. 3.49). Se vuelca asfalto precalentado en el tubo grande hasta que alcanza el nivel de la línea de llenado. El viscosímetro lleno se mantiene en el baño por un cierto tiempo hasta que el sistema alcance la temperatura de equilibrio de 60ºC (140ºF). Se aplica un vacío parcial en el tubo pequeño para inducir el flujo, porque el cemento asfáltico a esta temperatura es muy viscoso para fluir fácilmente a través de los tubos capilares del viscosímetro. En la figura 3.49 se muestra un dispositivo para el control del vacío. También se conecta al sistema una bomba de vacío. Luego que el baño, viscosímetro y el asfalto se han estabilizado en 60ºC (140ºF), se aplica vacío y se mide con un cronómetro el tiempo, en segundos, que tarda el cemento asfáltico en fluir entre dos de las marcas. Multiplicando este tiempo por el factor de calibración del viscosímetro se obtiene el valor de la viscosidad en poises, la unidad patrón para medir viscosidad absoluta.
debido a la gravedad. Cuando el asfalto alcanza la primera de las marcas se comienza a medir el tiempo hasta que alcanza la segunda. El intervalo de tiempo, multiplicado por el factor de calibración del viscosímetro, da la viscosidad cinemática en centistokes. Es necesario destacar que las medidas de viscosidad para 135ºC (275ºF) se expresan en centistokes y para 60ºC (140°F), en poises. En el ensayo de viscosidad cinemática, la gravedad induce el flujo (resultados en centistokes) y la cantidad de flujo a través del tubo capilar depende de la densidad del material. En el ensayo de viscosidad absoluta, los resultados se dan en poises, y el flujo a través del tubo capilar se induce por medio de un vacío parcial, siendo los efectos gravitacionales despreciables. Estas unidades poises y stokes o centipoises y centistokes - pueden ser convertidas unas en otras aplicando, simplemente, un factor debido a la densidad.
3. Punto de ablandamiento: Los asfaltos son materiales termoplásticos, por lo cual no puede hablarse de un punto de fusión en el término estricto de la palabra. Se establece entonces un punto de ablandamiento, determinado por la temperatura a la que alcanza un determinado estado de fluidez. Los asfaltos de diferentes tipos reblandecen a diferentes temperaturas. El punto de reblandecimiento se determina usualmente por el método de ensayo del anillo y bola. Consiste en llenar de asfalto fundido un anillo de latón de dimensiones normalizadas, se deja enfriar a la temperatura ambiente durante cuatro horas. Sobre el centro de la muestra se sitúa una bola de acero de dimensiones y peso específicos, casi siempre de 9.51mm de diámetro. Una vez lista, se suspende la muestra sobre un baño de agua y se calienta el baño de tal manera que la temperatura del agua suba a velocidad constante. Se anota la temperatura en el momento en que la bola de acero toca el fondo del vaso de cristal. Esta temperatura es el punto de ablandamiento.
4. Ductilidad: La ductilidad es la propiedad que presentan algunos metales y aleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. A los metales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles. En otros términos, un material es dúctil cuando la relación entre el alargamiento longitudinal producido por una tracción y la disminución de la sección transversal es muy elevada. Los asfaltos dúctiles tienen normalmente mejores propiedades aglomerantes. Por otra parte, los asfaltos con una ductilidad muy elevada son usualmente susceptibles a los cambios de temperatura. El ensayo consiste en moldear asfalto en condiciones y con dimensiones normalizadas de ensayo y en someterlo a alargamiento con una velocidad especificada hasta que el hilo que une los dos extremos se rompa. Normalmente,
6. Ensayo en horno de película delgada: Este no es en realidad un ensayo, sino un procedimiento destinado a someter a una muestra de asfalto a condiciones de endurecimiento aproximadas a aquellas que ocurren durante las operaciones normales de una planta de mezclado en caliente. Para medir la resistencia al endurecimiento del material bajo estas condiciones, se hacen al asfalto ensayos de penetración o de viscosidad antes y después del ensayo.
Este ensayo se emplea para prever el endurecimiento que puede esperarse se produzca en el asfalto durante las operaciones de mezclado. Esta tendencia al endurecimiento se mide por ensayos de penetración realizados antes y después del tratamiento en el horno. Este ensayo se realiza colocando una muestra de 50 g de asfalto en un recipiente cilíndrico de 13.97cm de diámetro y 9.525mm de profundidad, con fondo plano. Así se obtiene una probeta de asfalto de un espesor aproximado a 3mm. El recipiente con la probeta se coloca en un soporte giratorio en un horno bien ventilado y se mantiene una temperatura de 163 'C durante 5 horas. Después se vierte el asfalto en un recipiente normal empleado en el ensayo de penetración. 7 .Ensayo de película delgada rodante en horno: Este ensayo es una variante del anterior, el propósito es el mismo pero cambian los equipos y procedimientos de ensayo. La figura 3.55 muestra el horno usado para el ensayo de película delgada rodante y también el frasco de diseño especial para contener la muestra. Se vuelca en el frasco una determinada cantidad de cemento asfáltico y se lo coloca en un soporte que rota con cierta velocidad alrededor de un eje horizontal, con el horno mantenido a una temperatura constante de 163ºC (325ºF). Al rotar el frasco, el cemento asfáltico es expuesto constantemente en películas nuevas. En cada rotación, el orificio del frasco de la muestra pasa por un chorro de aire caliente que barre los vapores acumulados en el recipiente. En este horno, se puede acomodar un mayor número de muestras que en el horno del ensayo de película delgada. El tiempo requerido para alcanzar determinadas condiciones de endurecimiento en la muestra es también menor para este ensayo.
