8.- materiales bituminosos
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8.- MATERIALES BITUMINOSOS
8.1. RESEÑA HISTORICA - 3200 A.C. Los Sumerios utilizaron un
material compuesto por betún, finos minerales y paja en la pega de ladrillos, pavimentos interiores (de 3 a 6 cm de espesor), tratamientos superficiales externos de protección y como revestimiento impermeable en los baños públicos.
- Este género de aplicaciones se repite en numerosas regiones de Mesopotamia.
- los Egipcios como relleno del cuerpo en trabajos de momificacion.
La Biblia: Arca de Noé, Torre de Babel, Cuna de Moisés, las Murallas de Jericó, etc.
Numerosas citaciones en libros Griegos o Latinos, describen los yacimientos de betún natural o de asfalto.
Estos materiales bituminosos eran
obtenidos de yacimientos naturales,
A partir de 1,909 se inicia el uso del
“Asfalto derivado del Petróleo”, mas económico y puro.
- Actualmente la principal fuente de abastecimiento.
8.2.- Definicion
Se denominan Materiales Bituminosos a todos aquellos que en su composición contienen un producto orgánico llamado Betún, cuya característica preponderante es la impermeabilidad.
Los Materiales Bituminosos de color negro, sólidas o viscosas, dúctiles, coloidal y pegajosa que se ablandan por el calor, no volatiles, compuesta principalmente de una alta masa molecular de hidrocarburos.
(coloidal: dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas)
Poseen propiedades aglomerantes y repelentes al agua. Pueden ser naturales o artificiales.
Aparecen en la naturaleza. El origen esta en los petróleos que han subido a la superficie a través de fisuras y se han depositado.
El Bitumen natural:
• Con el tiempo los materiales mas ligeros se evaporaron, quedando los componentes de mayor viscosidad. Estos lagos se siguen explotando en USA y SUDAMERICA.
El Bitumen derivado de la refinación del petróleo es también conocido como bitumen de petróleo y resulta ser los más usados.
El Bitumen artificial:
8.3.- Petroleo
• De origen fósil, fruto de la transformación de materia orgánica procedente de zooplancton y algas depositados en grandes cantidades en fondos de mares o zonas lacustres del pasado geológico, posteriormente enterrados bajo pesadas capas de sedimentos.
• La transformación química debida al calor y a la presión produce, en sucesivas etapas, desde betún a hidrocarburos cada vez más ligeros (líquidos y gaseosos).
• Estos productos ascienden hacia la superficie, por su menor densidad, gracias a la porosidad de las rocas sedimentarias. Cuando se dan las circunstancias geológicas que impiden dicho ascenso se forman entonces los yacimientos petrolíferos.
El petróleo crudo extraído de los pozos, pasa a proceso de destilación en el cual se separan las fracciones liviana 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.
8.3.1Clasificación del petroleo
Los asfaltos mas utilizados son los derivados de petróleo, los cuales se obtienen por medio de un proceso de destilación industrial del crudo. Representan mas 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.
El petróleo es variable diferenciándose por sus propiedades químicas y físicas.
–Físicamente pueden variar de un liquido amarillento a otro viscoso y negro.
–Químicamente (en base a la proporción de asfalto que poseen) los petróleos se clasifican en:
• Petróleos crudos de base asfáltica. (contienen asfalto libre de cera): pavimentos flexibles.
• Petróleos crudos de base parafínica. (brindan cera y residuos semejantes)
• Petróleos crudos de base mixta (contiene parafina y asfalto, cantidad variable de cera). Usado para pavimentos mediante proceso adicional que permite separar parafina, cera y otros componentes no asfalticos.
8.4 ASFALTO
Sustancia negra, cementante, pegajosa, sólida o semisólida según la temperatura ambiente; a la temperatura de ebullición del agua tiene consistencia pastosa, por lo que se extiende con facilidad.
El asfalto es además un material
bituminoso pues contiene betún, el
cual es un hidrocarburo soluble en
bisulfuro de carbono (CS2).
No se debe confundir con el alquitrán, que es también una sustancia negra, pero derivada del carbón, la madera y otras sustancias. El alquitrán obtenido de la destilación 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.
Casi todo el asfalto usado es producido por refinerías modernas de petróleo y es llamado asfalto de petróleo, 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.
El grado de control permitido por los
equipos modernos de refinería permite
la producción de asfaltos con
características distintas, que se prestan
para usos específicos. Como resultado,
se producen asfaltos para
pavimentación, techado y otros usos
especiales.
8.4.1 Propiedades del asfalto.Propiedades Químicas del asfalto.
Debe observares que ninguna de las tablas que
describen los sistemas de clasificación de asfaltos
mencionan la composición química. Razones:• En la actualidad no hay una prueba normal para
composición química de asfaltos que sea aceptada por los vendedores, compradores y usuarios.
• Los ensayos existentes requieren de equipos sofisticados.• La relación entre la composición química del asfalto y su
comportamiento estructural en pavimentos es todavía incierta.
Básicamente el asfalto esta compuesto por
varios hidrocarburos (combinaciones
moleculares de hidrogeno y carbono) y
algunas trazas de azufre ,oxigeno,
nitrógeno, y otros elementos. El asfalto
cuando es disuelto en un solvente como el
heptano, puede separarse en dos partes
principales: asfaltenos y maltenos:
• Los asfaltenos: no se disuelven en el heptano. Lo asfaltenos, una vez separadas de los maltenos, son usualmente de color negro o pardo oscuro y se parecen al polvo grueso de grafita. Los asfaltenos le dan asfalto su color y dureza.
• Los maltenos: Se disuelven en el heptano. Son líquidos viscosos compuestos de resinas y aceites. Las recinas son, por lo general, líquidos pesados de color ambar o pardo oscuro, mientras que los aceites son de color mas claro.
• Las resinas proporcionan las cualidades adhesivas (pegajosidad) en el asfalto, mientras que los aceites actúan como un medio de transporte para los asfaltenos y las resinas.
8.4.2 Propiedades Físicas del asfalto
Las de mayor importancia son la
durabilidad, adhesión y cohesión,
susceptibilidad a la temperatura,
envejecimiento y endurecimiento.
a) Durabilidad.- Es la medida de que tanto puede retener un asfalto sus características originales cuando es expuesto a procesos normales de degradación y envejecimiento.
Es una propiedad juzgada principalmente a través del comportamiento del pavimento, y por tanto es difícil de definir solamente en términos de las propiedades del asfalto.
Esto se debe a que el comportamiento
del pavimento esta afectado por el
diseño de la mezcla, las características
del agregado, mano de obra, y otras
variables, que incluyen la misma
durabilidad del asfalto.
b) Adhesión y Cohesión.- Adhesión es la capacidad del asfalto para adherirse al agregado en la mezcla de pavimentación. Cohesión es la capacidad del asfalto de mantener firmemente, en su puesto, las partículas de agregado en el pavimento terminado.
No existe un ensayo directo sobre el asfalto que mida esta propiedad. Sin embargo si es posible medir la adherencia de un asfalto con un agregado especifico.
c) Susceptibilidad a la temperatura..- Todos los asfaltos son termoplásticos; esto es, se vuelven mas duros( mas viscosos) a medida que su temperatura disminuye y mas blandos ( menos viscosos) a medida que la temperatura aumenta. Esta característica es una de las propiedades mas importantes de un asfalto.
Varia entre asfaltos de petróleos de diferente origen, aun si los asfaltos tienen el mismo grado de consistencia. Es muy importante pues indica la temperatura adecuada a la cual debe efectuarse las mezclas de asfalto con el agregado, y la temperatura a la cual se debe compactar la mezcla sobre la base de la carretera.
d) Endurecimiento y Envejecimiento.- Los asfaltos tienden a endurecerse en la mezcla asfáltica durante la construcción y también en el pavimento terminado. Este endurecimiento es causado principalmente por el proceso de oxidación (asfalto combinándose con el oxigeno).
el cual ocurre mas fácilmente a altas
temperaturas y en películas delgadas de
asfalto (película que reviste las partículas
de agregado durante el mezclado). Esto
hace que la oxidación y el
endurecimiento mas severo ocurran en
la etapa de mezclado.
8.4.3. Clasificación y grados de asfalto
Los asfaltos de pavimentación pueden
clasificarse bajo tres tipos diferentes:
a)Cemento asfáltico: asfalto en caliente.
b)Asfalto liquido:
–Cutback’s
–Emulsiones
c) Asfalto aireado.
b) y c): Mezclas en frío y riegos.
a) Cemento asfáltico.
Se clasifican bajo tres sistemas
diferentes :
a.1. Viscosidad,
a.2. Viscosidad después del envejecimiento
a.3. Penetración.
Cada sistema abarca diferentes grados, cada uno con diferentes rangos de consistencia.
a.1 Viscosidad del asfalto.- Poise: unidad normal de medida para viscosidad absoluta. Cuanto mas alto es el numero de poises,mas viscoso es el asfalto.
El AC – 2.5: cemento asfáltico con una
viscosidad de 250 poises a 60ªC Asfalto
“blando”.
El AC – 40 : cemento asfáltico con una
viscosidad de 4000 poises a 60ªC . Asfalto
“duro”
a.2 Viscosidad después del envejecimiento
La idea es identificar cuales serán las
características de viscosidad después que
se ha colocado el asfalto en el pavimento.
Para poder simular el envejecimiento que
ocurre en la planta asfáltica durante el
mezclado, el asfalto debe ser ensayado en
el laboratorio utilizando un ensayo patrón de
envejecimiento.
El residuo asfáltico que queda después del
envejecimiento es clasificado,
posteriormente , de acuerdo a su viscosidad.
Unidad de medida es el poise. La abreviación AR corresponde a “Residuo Envejecido”
• El AR – 1000: viscosidad de 1000 poises a 60ªC Asfalto “blando”.
• El AR – 16000 : viscosidad de 16000 poises a 60ªC . Asfalto “duro”
a.3 Penetración
Una aguja normal se deja penetrar dentro
de la muestra de asfalto bajo una carga
dada. La distancia que la aguja penetra
en la muestra en un tiempo determinado
es medida en décimas de milímetro
( 0.1 mm).
Aguja de biccat (Ensayo de penetración)
- Un grado de 200 300 indica que la aguja penetro en la muestra, bajo condiciones especificas 200 a 300 décimas de milímetro “Asfalto Blando”.
- Un grado 40 50, indica que la aguja penetro en la muestra 40 a 50 décimas de milímetro, “Asfalto duro”
b) Asfalto liquidoAsfaltos que se comportan como líquidos a
temperaturas normales.
>¿Como se obtiene el estado liquido?
• Mezclando Cemento Asfáltico con destilados del petróleo = cutback’s
• Seleccionando el residuo asfáltico del proceso de fraccionamiento conteniendo adecuada cantidad de aceites ligeros.
• Emulsificando el cemento asfáltico o cutback pesado con agua.
b.1 Cutback.Cemento asfáltico + solvente o diluyenteEn condiciones atmosféricas el solvente se evapora. Periodo de evaporación = curado. Curado varia en función: temperatura
ambiente, espesor de la capa, otros factores
Tipos de cutback´s clasificados sobre la base de velocidad de curado:
Curado Rápido (RC) cemento asfáltico +
solvente muy volátil (gasolina)
Curado Medio (MC) cemento asfaltico +
median volatilidad ( kerosene)
Curado Lento (SC) cemento asfáltico +
solvente pesado ( petróleo diesel) o bien
obtenidos del mismo proceso de refinación =
road oils o aceite pesado.
Usos de los cutbacks:
Principalmente para carreteras como aglomerante de diversas mezclas, parchado y tratamiento de superficies.
b.2 Emulsiones
Se conoce como asfalto frío y es aquel
cemento asfáltico emulsificado en
agua y un agente emulsificante.
El asfalto se encuentra emulsificado en agua.
Agua fase continua. Glóbulos de asfalto =
fase discontinua.Los glóbulos tiene cierta
carga eléctrica que la da el agente emulsificante, pueden ser emulsiones aniónicas o cationicas.
La emulsiones aniónicas (la polaridad del emulsionante es de carga negativa) son básicas y catiónicas (la polaridad del emulsionante es de carga positiva) son acidas.
El empleo de una u otra depende de la
naturaleza del agregado con el cual se
vaya a emplear la emulsión.
Ejm:
agregados silicios se recomienda una
emulsiona catiónica.
Tipos:De curado rápido, medio y lento.
Curado ocurre cuando el agua se
evapora o la carga de los glóbulos se
neutraliza y los glóbulos de asfalto se
unen formando una película continua de
cemento asfáltico.
Emulsiones invertidas: medio continuo
es el asfalto.
Usos:
Igual a los usos para los cutback., pero con
ventajas en la aplicación. Los asfaltos fríos
o emulsiones son menos dependientes de
las condiciones del medio ambiente,
requieren de menor infraestructura,
demandan menos energía y son menos
nocivos al medio ambiente y al personal.
c) Asfalto aireado:
Es un proceso químico que altera la composición química del asfalto. El asfalto está constituido por una fina dispersión coloidal de asfaltenos y maltenos. Los maltenos actúan como la fase contínua que dispersa a los asfaltenos. Las propiedades físicas de los asfaltos obtenidos por destilación permiten a los mismos ser dúctiles, maleables y 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 iniciales, que determina varias aplicaciones en la industria y construcción.
Usos:
techos, juntas, reservorios, canales
y recubrimientos de tuberías.
8.4.4 Manejo , Almacenamiento y muestreo del asfalto.
Se debe estudiar las fuentes potenciales de
contaminación que pueden existir en el
lugar donde el asfalto es manejado a
almacenado.
Hay que identificar y evitar practicas que
conduzcan a la contaminación de muestras.
Se debe conocer los cambios que ocurren el
volumen de asfalto cuando este es
calentado o enfriado.
Tipos y grados Referencia
AC – 2.5 5 10 20 40
AASHTO M226
AR – 1000 2000 4000 8000 16000
ASSHTO M 226
Pen 40 -50 60 – 70 85 – 100 120 – 150 200 – 300
ASSHTO M20
MC – 30 70 250 800 3000
ASSSHTO M82
RC -70 250 800 3000
ASSHTO M81
SC – 70 250 800 3000
ASTM D 2026
Todos los grados de asfalto emulsificado
AASHTO M 140 & 208
Instrumento para evaluar el PEN ( lavado con gasolina)
Màquina para medir la resistencia a la
compresión
8.4.5 USOS
Los materiales bituminosos en varias
formas y consistencias tienen variados
usos en la construcción, mantenimiento
de pavimentos, techos,
almacenamiento de agua y otros más
particulares.
Sin embargo el mayor empleo ocurre en
pavimentos flexibles como:
• Aglomerantes de material inerte en mezclas para pavimentación.
• Tratamiento de superficies de diferente tipo a fin de generar un sello contra la penetración de la humedad, como adhesivo entre capas de pavimento y para evitar la perdida de material fino.
• Como impermeabilizante y aglomerante de firmes de granulometría abierta .
• Cubierta selladora.
• Resanes de pavimentos de concreto
• Estabilizadores de suelos
Otras aplicaciones de asfaltos:
a) Asfaltos Modificados con Polímeros.El asfalto modificado con polímeros es un ligante
hidrocarbonado resultante de la interacción física y/o química de polímeros con un cemento asfáltico. Presenta mayor grado de adherencia, mayor resistencia al envejecimiento y menor susceptibilidad térmica. El elastómero empleado en su modificación es del tipo SBS, SBR o similar con un grado de modificación intermedio, suficiente para muchas aplicaciones.
Se usa en aglomerantes asfálticos de cualquier tipo. El elastómero empleado en su modificación es del tipo SBS, SBR o similar y con un grado de modificación intermedio, suficiente para muchas aplicaciones (entre ellas, por ejemplo, mezclas drenantes)
b) Asfaltos de Penetración
Clasificados según el grado de penetración.
Son principalmente usados en construcción y conservación de carreteras, preparación de emulsiones asfálticas y para la elaboración de asfaltos oxidados y asfaltos modificados.
C ) Impermeabilizantes
c.1 ASFALTOS PARA
IMPERMEABILIZACIÓN
De techos: Asfaltos sólidos oxidados
elaborados a partir de bases asfálticas que
son sometidas a un proceso de
deshidrogenación a temperaturas
específicas de reacción.
USO:Son ampliamente utilizados como
impermeabilizantes de techos en la industria
de la construcción, para la elaboración de
masillas, sellantes, pasta para vidrios,
fabricación de telas asfálticas y como
sellantes de baterías, elaboración de
telas asfálticas, tejas shingle y como aislante
acústico en la industria automotriz.
C.2 IMPERMEABILIZACION DE SUPERFICIES
Es un protector Bituminoso Impermeabilizante
constituido por asfaltos especiales modificados
con polímero, agentes tensoactivos y aditivos,
los cuales le proporcionan flexibilidad,
adhesividad y consistencia.
Puede aplicarse en superficies inclinadas y verticales.
c.3 Para trabajos de mantenimiento.
Es una masilla asfáltica homogénea y
fibrosa compuesta de asfaltos
seleccionados, fibras minerales,
llenantes y destilados del petróleo
de rápida evaporación que le confieren
una excelente adhesividad y plasticidad.
Proporciona una capa flexible y resistente a la humedad y a la corrosión en el recubrimiento y reparación de techos impermeabilizados, sellador tapa-goteras sobre láminas metálicas o de asbesto - cemento, para sellar grietas y ranuras en techumbres de concreto, para el sellado dejuntas de dilatación y el tratamiento de puntos críticos de la impermeabilización. También sirve para pegar fieltro asfáltico o tela de fibra de vidrio en las uniones de lasplacas con los muros, canaletas y chimeneas; para pegar planchas de corcho, madera y, en general, para todo tipo de trabajos de mantenimiento.
c.4 Para protección de superficies
metálicas.Es una pintura asfáltica impermeabilizante,
preparada con asfalto modificado
deshidrogenado y solventes del petróleo.
Se usa para proteger superficies metálicas expuestas a la intemperie o enterradas y placas con inclinaciones entre 8.3% (1 pulgada/pie) y 25% (3 pulgada/pie).
d.- Asfaltos Líquidos• Son Básicamente
utilizados en la construcción y conservación de carreteras, en la protección de taludes y en la elaboración de sellos asfálticos.
e.- Pavimento Asfáltico Instantáneo
Mezcla asfáltica en frío para
pavimentación instantánea con apertura
inmediata al tráfico, de fácil y rápida
aplicación, la cuál está constituida por
asfalto modificado con polímeros,
agregados minerales triturados y
aditivos especiales.
f.- Sellante Asfáltico Modificado para Tratamiento
De Grietas Y Juntas de Dilatación
El sellante es un producto unicomponente,
de aplicación en caliente y compuesto de
asfaltos modificados con polímeros.
USO:
Como material sellante es un producto
efectivo para usarlo en el tratamiento de
grietas y juntas de dilatación en el
mantenimiento de pavimentos asfálticos y de
concreto rígido.
g.- Mezclas Asfálticas en Frío
>> Mezcla Densa en FríoDESCRIPCION: La mezcla densa en frío es la combinación de un ligante bituminoso (emulsión) y un agregado mineral bien gradado, el cual proviene de trituración y presenta un alto contenido de llenante mineral. La mezcla es fabricada, extendida y compactada a temperatura ambiente.
Estas mezclas son equiparables en
calidad a las mezclas asfálticas en
caliente, ya que constituyen una
estructura cerrada, rica en mortero y
llenante, la cual una vez compactada
presenta un bajo contenido de
vacíos entre el 3 y el 8%.
USOS: Las mezclas densas en frío se
aplican como capas de rodadura en vías de
tráfico bajo, medio y alto y en espesores de
tres (3) a siete (7) centímetros.
>> Base Estabilizada en Frío
DESCRIPCION: La base estabilizada en frío es la combinación de un ligante bituminoso con suelos naturales, agregados pétreos de carácter natural tales como arenas o gravas naturales o una mezcla de agregados naturales y materiales procesados (triturados).
los cuales deberán estar exentos de materia
orgánica o cualquier sustancia perjudicial.
La adición de la emulsión mejora las
características resistentes y disminuye la
capacidad de absorción.
USOS:Las bases estabilizadas en frío se
aplican como capas de base para vías de
tráfico bajo, medio y alto y en espesores que
oscilan entre cinco (5) y quince (15)
centímetros, dependiendo del diseño de la vía.
>Lechadas Asfálticas (SLURRY SEAL) DESCRIPCION:
La lechada asfáltica es considera como un tratamiento superficial, toda vez que no aporta capacidad estructural a la vía. Está conformada por una mezcla de emulsión asfáltica, agregado fino bien gradado proveniente de trituración, llenante mineral, agua y en algunas ocasiones aditivos.
los cuales mezclados en las proporciones
adecuadas proporcionan un producto fluido,
manejable, homogéneo y cremoso, que
extendido con una máquina especialmente
diseñada para tal fin, rejuvenece la superficie
de un pavimento envejecido y rellena fisuras y
grietas, dando una superficie rugosa,
antideslizante e impermeable y con
apariencia de nueva.
h) Reciclaje De Pavimentos en Frío. DESCRIPCION:
EL reciclaje de pavimentos en frío se define como: “El reuso, después de un proceso constructivo, de un material que ha cumplido con su primer propósito”, pero que al volverlo a usar produce ventajas económicas y de protección ambiental de incalculable valor.
8.4.5 PROCESO DE FABRICACIÓN DE UNA MEZCLA ASFALTICA
La figura muestra la disponibilidad de los agregados finos y gruesos que serán agregados para el proceso de fabricación del asfalto.
La figura nos muestra una vista panorámica que ubica las inmediaciones de la fábrica de Asfalto (MTC), apreciándose con gran disponibilidad las tolvas y los silos.
En esta ocasión se aprecia como es introducido el material de grava gruesa y fina por un cargador frontal que aparentemente no se ve, pero a la vista se puede apreciar su cuchara que llena a las tolvas o silos.
El calentamiento y mezclado de los agregados se hace procedente después de que los silos conducen por un tubo cilíndrico metálico el material al horno y que luego será expulsado como mezcla asfáltica.
El tratamiento de polvo es un requerimiento sumamente importantísimo para la planta procesadora de asfaltos, ya que de este dependerá la normalidad del funcionamiento de la misma que está regida a un reglamento de sanidad ambiental que es controlada por la región en donde está se ha ubicado o establecido.
En la sala de controles se desarrolla la disponibilidad técnica de todos los ambientes como materiales y operaciones de procesamiento para la fabricación de los productos asfálticos, siendo éstos equipos de una gran precisión.
Finalmente después de todo este proceso como se ve en la figura, se obtiene el asfalto, que es un compuesto cuya característica óptica es que es de color negro y que al tocarlo es un material sólido cuando éste está frío y fluído o viscoso cuando éste se encuentra caliente.