ASFALTOS Y MEZCLAS ASFALTICAS

CLASE 1 (20 DE OCTUBRE DE 2012)

Primera Clase de Asfaltos: 1er bloque asfaltos y 2do bloque sobre mezcla: 1er bloque: cosas simples que ya deberían saber. Empecemos. Propiedades que son para la normativa: parte química, parte reológica, consultar normatividad de asfaltos. 2da parte de mezclas: Saber hacer un diseño de mezclas depende del conocimiento de las propiedades de desempeño (adherencia, fatiga en la mezcla, etc.)

Estudios: La esencia de los materiales (Química del asfalto, la mayor parte de la literatura esta en inglés, Libro de Hugo Arenas, Teoría del Asfalto). Concepto de bitumen: Es un material de origen hidrocarburado que proviene de los hidrocarburos derivados del petróleo. Otra definición más completa: Material hidrocarburado de alto peso molecular que se entiende que es soluble con disulfuro de carbono o tetracloruro de carbono.

Dentro del mundo del bitumen nos interesan los asfaltos de refinería (son los que se producen como resultado de la destilación o refinación del petróleo, es decir que se produce a partir del petróleo), separación de los componentes. No todos los crudos de petróleo son buenos para producir asfalto, el negocio son los combustibles y los petroquímicos (era del petróleo).

El asfalto era considerado un residuo de la destilación de crudo de petróleo, el cambio obedece a que no todos los crudos son buenos para producir asfalto, los crudos buenos son llamados crudos nafténicos, son crudos pesados. Que es un crudo nafténico: Los crudos se clasifican en 4 grupos que son crudos nafténicos muy espesos, cuando se destilan y le sacan los combustibles queda un buen residuo, una brea a partir de la cual se fabrica el asfalto y los otros crudos, los del extremo que se llaman crudos parafínicos, los cuales son muy livianos.

En la mitad están dos grupos, los nafténicos – parafínicos o parafínicos – nafténicos, ustedes van a investigar cual es la gravedad API. La idea central es que no todos los crudos sirven para producir asfalto, el asfalto es un subproducto de la destilación del crudo, las características del asfalto van a depender del crudo de donde se obtiene.

La combinación de muchos crudos en un solo lugar se llama dieta de crudo, esta dieta impone las características al asfalto. De la destilación, inicialmente salen unos gases como el propano y el acetileno. Posteriormente se calienta el crudo a presión atmosférica y salen líquidos ligeros (querosene y ACPM).

Después el crudo llega a los 370° Celsius, después se enfría un poco y se pasa a otra torre que ya está a presión negativa (está a succión) y de nuevo ese asfalto se empieza a calentar, el crudo viene más espeso y el que queda se empieza a calentar a los 370° Celsius y de ahí se sacan las gasolinas para uso de aviación hasta que queda un cunchito.

Ese fondo de la torta que es luego mezclado con algún aceite formando el asfalto, en este caso hay dos posibilidades en las refinerías, una es llegar al fondo de la destilación, sacar esa brea y aplicarle aceite. La otra manera es cuando se le va quitando las capas que se van endureciendo e ir controlando la viscosidad hasta ver en qué momento se saca el asfalto y cortarlo.

Es decir, controlarle la viscosidad del crudo hasta que se produce el asfalto. Apiay hace el primer proceso, mientras que Barranca hace el segundo. Ambos procesos son comunes y corrientes, la idea importante es que las características de esas combinaciones de crudos impone la calidad del asfalto sustancialmente.

El asfalto es un material de tipo termoplástico, lo cual quiere decir que su comportamiento está determinado por la temperatura del material. El crudo de castilla tiene un 83% de asfalto. Primero se caracteriza el crudo y luego se diseña básicamente con estudios de espectroscopia y de viscosidad.

Hay otros asfaltos que no son de refinería (asfaltos naturales), estos se han formado cuando en medio de las capas de la tierra quedaron bolsas de petróleo en medio de estratos rocosos a los cuales se le aplicaron cargas muy grandes durante mucho tiempo, millones de años. Los resultados son crudos espesos ya que los solventes se evaporan por las grietas hasta que queda un residuo, el cual es asfalto que viene con agregados pétreos.

Sin embargo, hay algunos que no presentan estos agregados como el lago de asfalto de Trinidad y Tobago, existen 2 tipos de asfaltos naturales, unos son los asfaltos naturales como los de La Dorada, con una granulometría que pasa el tamiz No 4 el 95% y un contenido de asfalto del 15% al 16%, con buenas características químicas y reológica para ser usados en mezclas en caliente, en frio y estabilizaciones.

El otro tipo de asfalto es el que viene con gravas y arenas mezcladas con el asfalto natural (mina de San Pedro en el Tolima), trae entre 5 o 5½ de asfalto, los cuales son excelentes como base para ser conglomerados, también son excelentes para las bases al tener una muy baja fricción interna.

El primero si tiene fricción interna debido a que contiene arenas, el problema es cómo sacarlos, sin las partículas gruesas, de gravas, en Colombia se encuentran en el municipio de Pasca, las gravas no se mezclan fácil, se requiere de plantas especiales para realizar como mezclas.

No se ha podido reglamentar su uso porque cada mezcla es única, no se puede adaptar como especificación particular, debido a que cada mina es única, dentro de la mina, cada veta es única y cada vez que se profundiza en la excavación, la veta cambia porque el asfalto que está en la parte externa ha sufrido de la oxidación y se ha transformado (composición y cantidad de asfalto distinto), es una reglamentación, eso ha impedido que se desarrolle su aplicación.

Los crudos pesados que se usan para pavimentación en Colombia son básicamente 3: Los crudos de Cerrales en el Putumayo, y los crudos de Rubiales y Castilla en el Meta. Son crudos pesados que se utilizan como emulsión para la estabilización, riegos, el problema de los crudos pesados ha sido generar un impacto ambiental muy fuerte, porque cuando se aplica un crudo una vía había se puede presentar el caso que el crudo sufra de lixiviado y llegue a las fuentes hídricas.

PARAMETROS BASICOS A CONSIDERAR EN ASFALTOS

1. Consistencia: en temperatura ambiente el asfalto es semisólido, es un material termoplástico y por tanto no se puede utilizar a estas temperaturas. Hay 3 técnicas que permiten ajustar la viscosidad del asfalto.

a. Calentarlo: ya que el asfalto es un termoplástico (su comportamiento está muy determinado por el gradiente de calor), en esta materia se le conocerá como cemento asfaltico (asfalto). Se usa en la fabricación de mezclas.

b. Diluyéndolo: Se tiene el cemento asfaltico y se le aplican muchos de los aceites que ya se le habían sacado, por medio de la adición de solventes (gasolina, querosene, aceites aromáticos) lo cual quiere decir que se le adicionan nuevamente los hidrocarburos, entonces se toma el asfalto y se le adiciona un poco de solventes, quedando nuevamente un líquido. Este material se llama asfalto líquido, o también se le conoce como asfalto fluidificado (son muy caros). El uso del asfalto liquido está especificado mediante la NTC 30, tanto por el INVIAS como por el IDU, se utiliza en riegos de imprimación (pegar una capa granular con una capa asfálticas, no para bases estabilizadas con cemento o con asfalto no se usa, puede ser también una capa granular con una capa asfáltica). El proceso mediante el cual se evapora el solvente y queda el

asfalto, conocido como asfalto residual, se conoce como curado. Los asfaltos líquidos pueden ser de curado rápido, medio o lento. El curado es el proceso físico – químico mediante el cual los solventes se volatilizan y queda trabajando el asfalto residual. En Colombia solo se tienen reglamentados los asfaltos de curado medio (MC), curado rápido (RC) y curado lento (SC), siendo el más común el MC-30.

c. Emulsificación: Es una técnica muy común consistente en la fabricación de emulsiones asfálticas. Las emulsiones son materiales constituidos por tres materiales: pequeños glóbulos de asfalto (micras), agua (que es repelida por el asfalto) y emulgente o emulsificante (que se encargan de cargar el asfalto con la misma carga eléctrica para que se repelan entre si y pueda existir la emulsión). Así las cosas, el agua es medio disperso mientras que el emulgente le da cargas eléctricas iguales a los glóbulos de asfalto, de tal manera que cuando se acerquen se repelan y la emulsión pueda existir. No hay emulsión sin emulsificante. (¿Cuál es la carga eléctrica?). Las emulsiones se clasifican según la carga eléctrica en catiónicas y aniónicas (se debe recordar que la corriente eléctrica tiene dos polos, el cátodo y el ánodo; el cátodo tiene polo positivo). En Colombia solo se producen emulsiones catiónicas, las cuales se pegan al cátodo (carga positiva) pero repele a las cargas negativas, lo cual quiere decir que tiene carga positiva. Debido a que las emulsiones catiónicas tienen cargas positivas, se podría pensar que no se pega en lo pétreos calcáreos que son de tendencia de carga superficial positiva (los agregados pétreos se dividen en dos grandes grupos, silíceos o ácidos con cargas superficiales negativas y los calcáreos o básicos con cargas superficiales positivas y pH grande). Teniendo en cuenta esto, se podría pensar que una emulsión no pega con un pétreo calcáreo porque ambos son positivos aunque en realidad si pegan pero requieren de un buen amasado, evidentemente, pegan mejor con el pétreo silíceo por ser de carga (-). En las emulsiones, igual que en los asfaltos líquidos, llega un momento en que el asfalto empieza a trabajar solo, este asfalto se llama asfalto residual ya que queda trabajando cuando se evapora el agua y el emulgente, pero en el asfalto líquido, ese proceso se llama curado, en el caso de las emulsiones, se conoce como rompimiento. Los asfaltos líquidos curan mientras que las emulsiones rompen aunque al final los resultados son los mismos. Entonces, el rompimiento de una emulsión, fenómeno físico – químico, mediante el cual el agua y el emulgente se separan del asfalto, e igual que con los asfaltos líquidos las emulsiones rompen a diferentes tiempos. Hay emulsiones de rompimiento rápido (rompen en un periodo de 15 o

20 minutos) y emulsiones de rompimiento lento (rompen al cabo de 20 a 24 horas). Las emulsiones se usan según su rompimiento. Las emulsiones pueden ser CRL, CRM o CRR y además existen algunas variantes. En Colombia, no se producen emulsiones aniónicas, tan solo se producen emulsiones catiónicas, de rompimiento lento, medio o rápido. La emulsión de rompimiento lento se utiliza en la fabricación de mezclas, las cuales pueden ser mezclas nuevas o recicladas, también se utiliza en las lechadas asfálticas, en los riegos de imprimación (para pegar capas granulares con capas asfálticas, al igual que el asfalto liquido). Su uso en la fabricación de mezclas, se limita a las mezclas en frio, ya que las mezclas en caliente se fabrican con cemento asfaltico. Las mezclas en frio son aquellas en las cuales los agregados están a temperatura ambiente y húmeda. En las mezclas en caliente, los agregados y el asfalto se encuentran a altas temperaturas. Los agregados, por su parte pueden ser nuevos o reciclados. A las lechadas asfálticas, también se les conoce como Slumgs. Los Slumgs son unas mezclas de arena, cemento y emulsión, que se fabrican y se extienden como actividad de mantenimiento periódico porque no son capas estructurales. Una capa estructural la que es objeto de dimensionamiento (espesor), el Slumgs no lo es. En el dimensionamiento de un pavimento, intervienen principalmente un Módulo y el Transito. Las emulsiones de rompimiento lento, se usan principalmente para riego de liga, el cual es un riego para pegar un concreto asfaltico a un concreto, ya sea asfaltico o hidráulico (caso de los puentes). Otro uso de las emulsiones, se encuentra en los tratamientos superficiales simples o dobles. Un tratamiento superficial, es una actividad de mantenimiento periódico que consiste en regar emulsión y encima regarle gravilla y pasar el compactador de llanta, cuya función no es compactar sino pegar la gravilla con la emulsión. En el tratamiento superficial doble, se realizan dos capas: emulsión + gravilla gruesa + compactador y emulsión + gravilla fina + compactador. Las emulsiones se dosifican en función de las características de la superficie, cuidando que la película de asfalto quede pareja.

2. Pureza: Esta tiene que ver con el riesgo de que el suministro de crudo venga contaminado.

CLASE 2: 27 DE OCTUBRE

El riego de liga es una actividad de obra que se hace con emulsión y que consiste en pegar o se usa para pegar concreto asfaltico a un concreto hidráulico o a otro concreto asfaltico ya instalado. Les comentaba yo que si ese concreto asfaltico ha sido colocado media hora antes está caliente y debe colocarse riego de liga.

Si se colocan varias capas de asfalto sin riego de liga, el espesor de la capa que va a ser el que soportara las cargas es el último colocado, las emulsiones se colocan en caliente. Para las emulsiones se trabajan generalmente a 50° ya que a temperaturas menores, las emulsiones asfálticas se vuelven muy espesas y las boquillas de los irrigadores, se tapan.

¿Funciona lo mismo imprimar con liga que con emulsión? Desde el año 2002 no se puede realizar riego de liga con cemento asfaltico. El riego de liga debe hacerse siempre con emulsión. El riego de imprimación se realiza sobre materiales granulares y se realizan con emulsión asfáltica de rompimiento lento.

Existe una alternativa para hacer un riego de imprimación sin utilizar una emulsión de rompimiento lento y consiste en realizarlo con asfalto líquido (MC-50). Los riegos de liga solo se realizan con emulsión. Todo riego de liga debe realizarse en forma de una película continua.

Es por eso que el riego de liga debe realizarse siempre con irrigador para garantizar la uniformidad de la capa de emulsión colocada en el asfalto.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CEMENTOS ASFALTICOS

Los ensayos de laboratorio que tienen que ver con la consistencia del asfalto, son: el ensayo de viscosidad, el de punto de ablandamiento y penetración. En cuanto a la viscosidad, como concepto, se puede entender como la resistencia u oposición de un material a fluir. Pero como definición, la viscosidad es la relación entre un esfuerzo de corte que se aplique y la velocidad a la que se deforma.

La viscosidad no es un módulo y por tanto no se puede hablar de relación esfuerzo – deformación. La viscosidad depende entre otras cosas, de la temperatura a la que se haga la medición y de la técnica que se emplee para realizar la medición. Este es un debate ya que existe la posición de que una viscosidad medida en un asfalto en cierta manera, debería ser igual a la viscosidad medida de otra manera.

Se manejan la viscosidad cinemática que se mide en forma capilar. La viscosidad capilar consiste en la determinación de la viscosidad empleando un tubo de sección capilar, es decir, un tubo de sección muy pequeña, en la cual

en realidad lo que se mide es el tiempo en que tarda una muestra de asfalto en llegar de un punto al otro en el tubo capilar.

El tiempo que se mide es conocido como la constante de viscosímetro. La viscosidad cinemática se mide a una temperatura del asfalto de 135 °C porque la viscosidad capilar intenta medir la capacidad que tiene el asfalto para ser bombeado de la planta. Se llama cinemática ya que a esta temperatura el asfalto es líquido, entonces, cuando se coloca el viscosímetro, la gravedad propicia que el asfalto se mueva. (13:53)