importancia de los ensayos tga y dsc en el estudio de las propiedades térmicas de...
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Importancia De Los Ensayos TGA y DSC en el Estudio de las Propiedades Térmicas de
Mezclas Asfálticas
Estudiante
Yenny Alejandra Granados Cristancho.
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad Del Medio Ambiente Y Recursos Naturales
Ingeniería En Topografía
Bogotá D.C
2015
Importancia De Los Ensayos TGA y DSC en el Estudio de las Propiedades Térmicas de
Mezclas Asfálticas
Proyecto presentado como prerrequisito para optar al título de Ingeniero Topográfico
Director
William Andrés Castro L.
Estudiante
Yenny Alejandra Granados Cristancho.
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad Del Medio Ambiente Y Recursos Naturales
Ingeniería En Topografía
Bogotá D.C
2015
Contenido
1. Resumen .................................................................................................................................. 5
2. Introducción ............................................................................................................................ 6
3. Objetivos ................................................................................................................................. 7
3.1 Objetivo General .................................................................................................................. 7
3.2 Objetivos específicos ........................................................................................................... 7
4. Acerca De Las Técnicas DSC y TGA ..................................................................................... 8
4.1 Técnicas de Análisis Térmico .............................................................................................. 8
5. Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) ............................................................................ 9
5.1 Descripción Del Procedimiento ......................................................................................... 10
5.2 Preparación de muestras .................................................................................................... 11
5.3 Variables Estudiadas .......................................................................................................... 11
5.3.1 Variables de tipo instrumental ..................................................................................... 12
5.3.2 Variables estudiadas en la muestra .............................................................................. 12
5.4 Instrumentación............................................................................................................. 12
5.4.1 DSC de potencia compensada ...................................................................................... 12
5.4.2 DSC de flujo de calor ................................................................................................... 13
5.5 Interpretación De Lecturas De Termogramas .................................................................... 15
6. Análisis Por Termo Gravimetría (TGA) ............................................................................... 17
6.2 Preparación De La Muestra ............................................................................................... 21
6.2.1 Factores Instrumentales ............................................................................................... 21
6.3 Variables Estudiadas .......................................................................................................... 22
6.3.1 Factores instrumentales ........................................................................................... 22
6.3.2 Características De La Muestra ..................................................................................... 22
6.4 Interpretación De Curvas TGA .......................................................................................... 23
En termogravimetria, además del termograma o curva TGA, hay que recurrir a otras gráficas que
cumplen fines interpretativos: ....................................................................................................... 23
6.5 Lectura de termogramas ..................................................................................................... 23
7. Asfaltos modificados ............................................................................................................ 26
7.1 Metodologías Para El Mejoramiento De Las Características De Las Mezclas Asfálticas 26
7.2 Ensayos De Caracterización Convencionales .................................................................... 26
7.2.1 Método universal de caracterización de ligantes (UCL).............................................. 26
7.2.2 Ensayo de cántabro ...................................................................................................... 27
7.2.3 Ensayo BTD ................................................................................................................. 27
7.2.4 Ensayo Marshall........................................................................................................... 28
7.2.5 Método Superpave ....................................................................................................... 29
7.3 Antecedentes de asfaltos modificados ............................................................................... 29
7.4 Objetivo De La Modificación De Asfaltos ........................................................................ 32
7.5 Materiales Usados En La Modificación De Asfaltos ......................................................... 33
7.5.1 Tipo de modificadores ................................................................................................. 34
7.6 Implementación de Aditivos Naturales Como Componente de Mejoramiento de Mezclas
Asfálticas.................................................................................................................................. 36
7.7 Implementación De Metodologías de caracterización (DSC Y TGA) Para Mezclas Asfálticas
Modificadas.............................................................................................................................. 37
7.8 Determinación Mediante Ensayos de TGA y DSC De Problemas Que Se Presentan En
Mezclas Asfálticas ................................................................................................................... 38
8. Discusión............................................................................................................................... 40
9. Conclusiones ......................................................................................................................... 44
10. Bibliografía ........................................................................................................................ 48
Figuras
Figura 1 Termográma diferencial (curva superior, eje derecho) y convencional (curva inferior,
eje izquierdo) (Skoog, Holler, & Crouch, 2001) ............................................................................ 9
Figura 2. Esquema de una celda de DSC de flujo de calor. (Ospina Jimenez & Rondón
Arciniegas, Guia Metodologica Para Realizar Analisis Mediante el Calorimetro de Barrido
Diferencial (DSC Q10), Como Servicio de Extension ala Industria Nacional Por Parte de la
Escuela de Ingenieria Quimica, 2006) .......................................................................................... 13
Figura 3. Esquema de un aparato de DSC. Figura tomada de: ALBELLA, J.M.; CINTAS, .......... 14
Figura 4. Ejemplo de gráfica de DSC típico. Figura tomada en: (Villegas Villegas, Aguiar Moya,
Loría Salazar, & Navas Carro, metodología integral de incorporación eficaz de modificantes en
matrices asfálticas, 2013) .............................................................................................................. 17
Figura 5. Esquema de TGA (Puelloa, Afanasjevab, & Alvarez, 2013) ........................................ 19
Figura 6. Termograma típico de los ensayos de TGA (Puello Mendez, 2012) ........................... 20
Figura 7. Visualizaciones micro estructurales de polímeros para definir compatibilidad con
asfalto, lo blanco es polímero y lo negro es asfalto. Fuente: conferencia introducción a la química
de asfalto Ing: Germán Garzón; Costa rica 2004. ......................................................................... 30
Tablas
Tabla 1. Interpretación de curvas DSC. ........................................................................................ 16
Tabla 2. Interpretación de lectura para las curvas de TGA........................................................... 25
5
1. Resumen
Los ensayos de caracterización son de importancia para el diseño de una mezcla
asfáltica. A través de la aplicación de estos ensayos y los resultados obtenidos, se ha
logrado identificar una serie de variables tales como la velocidad de mezcla, la temperatura
del lugar de instalación, la compatibilidad del asfalto con el material con el que será
mezclado (agregado pétreo o polímero en el caso de tratarse de un asfalto modificado),
entre otras, de importancia radical, que afectan propiedades como la duración, estabilidad,
rigidez y funcionabilidad de las mezclas asfálticas. En particular, al estudiar los asfaltos (o
mezclas asfálticas) por medio de las técnicas de análisis DSC y/o TGA se puede determinar
su comportamiento termodinámico, el cual se puede llegar a relacionar con sus propiedades
mecánicas a nivel macroscópico, de manera que se pueda entender cómo se afectan las
propiedades físicas de un asfalto al ser modificado (Mousavian, Sharafi, Roshan, & Shariat,
2011) (Baumgardnera, Hardeeb, Negulescuc, Williamsd, Howarde, & St John, 2014)
(Coronado, y otros, 2010), además se pueden establecer los efectos de factores
externos(temperatura de operación, condiciones de ejecución entre otros) en la estabilidad
de los asfaltos que se emplean en proyectos viales.
6
2. Introducción
El asfalto se define como el componente natural de la mayor parte de los petróleos,
esta palabra deriva de una lengua hablada en Asiria llamada Arcadio, existente entre los
años 1400 y 600 A.C., actualmente en esta zona se encuentra la palabra “Sphalto” que
traduce “lo que ha de caer”, esta palabra fue adoptada por el griego y el latín más adelante
fue usada en Francia como Asphalte, al español Asfalto y al Ingles Asphalt.
Estudios arqueológicos realizados afirman que el asfalto es el material constructivo más
antiguo. En el sector de la construcción el uso más antiguo se remonta al año 3200 A.C.
Excavaciones realizadas en TellAsmer, a 80 Km de Bagdad constatan que los Sumerios
habían usado un asfalto mástico para la construcción, este estaba compuesto por betún,
finos minerales y paja, se usaba para pegar ladrillos o mampostería en general y en la
realización de pavimentos no muy densos (de 3 a 6 cm de espesor), para protección e
impermeabilización de baños públicos. Actualmente es el material más utilizado en
procesos de recubrimiento para la construcción de vías. En el año 1903 Dow (Reyes &
Vargas, 2010) dio el primer paso en materia de investigación al realizar el estudio de
caracterización de mezclas asfálticas por medio de tratamientos térmicos, para determinar
la relación entre el aumento de temperatura y la pérdida de peso y valores de penetración
con lo cual se dio inicio a estudios orientados a la producción de mezclas asfálticas con
propiedades específicas. (Vargas Xiomara, 2010).
7
Los componentes del asfalto se clasifican en tres categorías: aceites, resinas y asfáltenos.
Las cualidades ingenieriles de este material y sus ligantes son relacionadas con la calidad y
la cantidad de asfáltenos presentes y la naturaleza de dispersión que tienen dentro de la
mezcla los aceites y resinas.
Hay evidencia, como se muestra más adelante, de diversos estudios realizados que
implementan ensayos de gravimetría como método principal para la caracterización de las
estructuras moleculares de sus componentes.
3. Objetivos
3.1 Objetivo General
Consultando documentos bibliográficos de fuentes primarias, se busca establecer la
importancia de las técnicas termo gravimetría (TGA) y calometría diferencial de
barrido(DSC) en la caracterización de propiedades mecánicas importantes para la
ingeniería de los asfaltos.
3.2 Objetivos específicos
Recopilar información en una base de datos buscando documentos que muestren la
aplicación de los ensayos de TGA y DSC para el estudio de características de
asfaltos o mezclas asfálticas.
Analizar y comparar la información y variables usadas en cada uno de los
documentos revisados tratando de establecer la correlación con las técnicas de
interés (TGA y DSC).
8
Brindar apoyo a la revisión documental del proyecto de investigación: “Desarrollo
De Una Mezcla Asfáltica Tibia Bajo Criterios Técnicos Y Medioambientales”, en la
fase de revisión bibliográfica.
4. Acerca De Las Técnicas DSC y TGA
Antes de iniciar con la recopilación de información es importante definir los conceptos
clave relacionados con el tema de investigación.
4.1 Técnicas de Análisis Térmico
La definición generalmente aceptada de análisis térmico abarca al grupo de técnicas
en las que se mide una propiedad física de un sistema (sustancia o material) en función de
la temperatura mientras que se somete a un programa de temperatura controlado. Se pueden
distinguir más de una docena de métodos térmicos que difieren en las características
medidas y en los programas de temperatura. Estos métodos encuentran una amplia
aplicación tanto en el control de calidad como en investigación de productos farmacéuticos,
arcillas y minerales, metales y aleaciones, polímeros y plásticos. (Benito, 2014).
En un análisis de caracterización generalmente se registra de manera continua la masa de la
muestra en estudio, como función del tiempo o la temperatura. La representación de la
masa o del porcentaje de masa en función del tiempo o de la temperatura se denomina
termograma o curva de descomposición térmica; un esquema se puede observar en la Figura
1. Existen otros tipos de análisis denominados termográvimetria diferencial, donde se
registran las variaciones de masa con respecto a la temperatura o respecto al tiempo
9
dependiendo de que el experimento sea dinámico o isotérmico respectivamente (Benito,
2014) (Skoog, Holler, & Crouch, 2001).
Figura 1 Termográma diferencial (curva superior, eje derecho) y convencional (curva inferior, eje izquierdo)
(Skoog, Holler, & Crouch, 2001)
Dos de las técnicas más importantes para la caracterización térmica de los materiales
actualmente son las técnicas TGA y DSC.
5. Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)
La calorimetría diferencial de barrido (Differential ScanningCalorimetry DSC), es
una técnica experimental dinámica que permite determinar la cantidad de calor que
absorbe o libera una sustancia, bien cuando es mantenida a temperatura constante durante
10
un tiempo determinado, o cuando es calentada o enfriada a velocidad constante, en un
determinado intervalo de tiempo, con la ventaja adicional que actualmente puede ser
utilizada en amplios rangos de temperatura que van desde los -200 ºC hasta
aproximadamente 800º c. Esta técnica permite el estudio de aquellos procesos en los que se
produce una variación entálpica, determinando las temperaturas donde ocurren cambios
físicos o químicos, puntos de cristalización y ebullición, entalpias de reacción y
determinación de otras transiciones de primer y segundo orden.
5.1 Descripción Del Procedimiento
En la técnica de Calorimetría Diferencial de Barrido se dispone de dos cápsulas.
Una de ellas contiene la muestra a analizar y la otra está vacía y es la llamada cápsula de
referencia. Se usan calefactores individuales para cada cápsula y un sistema de control
comprueba si se producen diferencias de temperatura entre la muestra y la referencia. Si se
detecta cualquier diferencia, los calefactores individuales regulan el desequilibrio de tal
manera que la temperatura se mantendrá igual en ambas cápsulas. Es decir, cuando tiene
lugar un proceso exotérmico o endotérmico, el instrumento compensa la energía necesaria
para mantener la misma temperatura en ambas cápsulas.
Como regla general puede decirse que todas las transformaciones o reacciones, en
sustancias en estado sólido o líquido, que involucren cambios de energía, pueden medirse
por la técnica DSC. Entre las diversas utilidades de la técnica de DSC podemos destacar las
siguientes:
— Medidas de capacidad calorífica aparente (fenómenos de relajación estructural).
11
— Determinación de temperaturas características de transformación o de transición
tales como: transición vítrea, transición ferro-paramagnética, cristalización,
transformaciones polimórficas, fusión, ebullición, sublimación, descomposición,
isomerización entre otras.
— Estabilidad térmica de los materiales.
— Cinética de cristalización de los materiales.
En la calorimetría diferencial de barrido se tienen en cuenta dos metodologías básicas para
la realización del estudio:
Dinámico: La muestra es sometida a procesos de calentamiento (o enfriamiento) constante
controlado. De esta manera se obtiene la variación de flujo del calor como función de la
temperatura.
Isotérmico: Se calienta la muestra inicialmente, hasta una temperatura que se mantiene
constante durante el transcurso del ensayo. Así, se obtiene la variación del flujo del calor
como función del tiempo.
5.2 Preparación de muestras
Las muestras se cargan en capsulas (celdas) de aluminio con capacidad entre 10-50
mg selladas con una tapa de aluminio que impiden la contaminación del horno en caso de
dilatación o descomposición de la muestra. La cantidad de muestra usada puede ser
variable, desde fracción de miligramos hasta 30 mg, así como el estado y forma de la
misma, (CSIC, 2003).
5.3 Variables Estudiadas
Aunque los principios básicos de esta técnica no son complejos, hay que tener en
cuenta que hay numerosas variables involucradas; las variables más importantes son:
12
5.3.1 Variables de tipo instrumental
Velocidad de calentamiento (enfriamiento)
Geometría de las celdas
Tipo de sensor de temperatura
Tipo de registro de termograma
5.3.2 Variables estudiadas en la muestra
Tamaño de la muestra
Grado de división de la muestra
Empaquetamiento
Control de la atmosfera ambiental
Tratamiento físico previo
5.4 Instrumentación
Existen dos tipos de métodos para obtener datos en DSC:
DSC de potencia compensada
DSC de flujo de calor
5.4.1 DSC de potencia compensada
En este tipo de DSC la muestra y el material son calentados mediante calentadores
separados aunque sus temperaturas se mantienen iguales mientras estas aumentan o
disminuyen linealmente.
13
5.4.2 DSC de flujo de calor
En este tipo de DSC se mide la diferencia de cantidad de calor entre la muestra la
referencia cuando la temperatura de la muestra se aumenta o disminuye linealmente (CSIC,
2003).
Como se mencionó anteriormente, la técnica DSC mide el flujo de calor en la
muestra en estudio y en un material inerte de referencia de manera independiente. En la
Figura 2 se muestra un esquema típico de calda DSC.
Figura 2. Esquema de una celda de DSC de flujo de calor. (Ospina Jimenez & Rondón Arciniegas, Guia
Metodologica Para Realizar Analisis Mediante el Calorimetro de Barrido Diferencial (DSC Q10), Como
Servicio de Extension ala Industria Nacional Por Parte de la Escuela de Ingenieria Quimica, 2006)
En la Figura 3 se muestra un esquema de equipo de DSC, las dos celdas tienen un
sensor que permite la medición de temperatura, además de ello poseen una resistencia de
calentamiento independiente para cada una, estas mantienen cada una de las muestras a la
temperatura programada (Tp). El sistema trabaja de modo que la energía que suministra
14
cada resistencia, es función de la diferencia entre las temperaturas de cada celda y la
temperatura programada:
Em= Wm·(Tm – Tp)
ER = WR·(TR – Tp)
Donde Em y ER son las energías eléctricas suministradas por las resistencias, y Wm
y WR son constantes del sistema, que dependen de las características de cada material,
como la masa y su capacidad calorífica. La diferencia de energía, DE = Em – ER, requerida
para mantener las dos celdas a la temperatura programada, es la cantidad que se representa
en función de la temperatura (Tpo Tm) o en función del tiempo a temperatura constante.
Aestas dos representaciones se las denomina termogramas. (Callister, 2000).
Figura 3. Esquema de un aparato de DSC. Figura tomada de: ALBELLA, J.M.; CINTAS,
A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.
15
Como se muestra en la Figura 3 La celda de DSC es una cámara que contiene una
plataforma que tiene dos superficies elevadas para ubicar las capsulas de la muestra y la
referencia. A través de esta cámara se hace fluir un gas, que según los propósitos del
experimento puede ser inerte u oxidante.
5.5 Interpretación De Lecturas De Termogramas
La interpretación de las curvas del termograma se establece de acuerdo a parámetros
determinados por el Sistema Nacional de Ensayos que reporta información importante a
cerca de las transiciones que sufren los materiales mediante la lectura de las curvas
obtenidas, como se muestra en la Tabla 1.
16
Tabla 1. Interpretación de curvas DSC, cuando las curvas presentan flujo de calor > 0 pertenecen a un proceso
endotérmico, de lo contrario representan un proceso exotérmico. Fuente: Elaboración Propia
17
Figura 4. Ejemplo de gráfica de DSC típico. Figura tomada en: (Villegas Villegas, Aguiar Moya, Loría
Salazar, & Navas Carro, METODOLOGÍA INTEGRAL DE INCORPORACIÓN EFICAZ DE
MODIFICANTES EN MATRICES ASFÁLTICAS, 2013)
En la Figura 4 se muestra un ejemplo típico de grafica DSC donde se muestra la
temperatura en grados centígrados frente al peso de una muestra de polímero.
6. Análisis Por Termo Gravimetría (TGA)
El Análisis por Termo Gravimetría (Thermo Gravimetric Analisys TGA) se define
como la técnica en que se mide el porcentaje del peso de una muestra frente al tiempo o a la
temperatura mientras se somete a un programa de temperatura controlado en una atmósfera
específica. Lo habitual es que se produzca una pérdida de peso, sin embargo también es
posible que haya una ganancia de peso en algunos casos. La atmósfera puede ser estática o
dinámica con un caudal determinado (también se emplean condiciones de presión reducida)
y los gases más habituales son N2, aire, Ar, CO2. También se usan H2, Cl2, o SO2.
Una característica fundamental de la técnica TGA es que sólo permite detectar procesos en
18
los que se produce una variación de peso tales como descomposiciones, sublimaciones,
reducción, desorción, absorción, mientras que no permite estudiar procesos como fusiones,
transiciones de fase.
El equipo utilizado en TGA es principalmente una termo balanza que consta de 5
partes principales:
1. Una microbalanza electrónica y su equipo de control
2. Un horno y los sensores de temperatura, habitualmente un termopar colocado en las
proximidades de la muestra pero no en contacto con ella.
3. Un programador de temperatura.
4. Un controlador de la atmósfera (tipo de gas y caudal).
5. Dispositivo para almacenar los datos de peso y temperatura fundamentalmente.
El primer componente de una termobalanza es una microbalanza. Un ejemplo es el
presentado en la Figura 5: el brazo de la balanza pivota sobre una bobina eléctrica
suspendida en un campo magnético. La posición del brazo se mide mediante un sensor
óptico y cualquier desviación origina una corriente que se comunica a la bobina y la
devuelve a la posición de equilibrio. Esto es importante para mantener la muestra en la
misma posición dentro del horno.
El segundo componente fundamental en una termobalanza es el horno, normalmente
se emplea una resistencia eléctrica (de Pt, Rh o W) enrollada de manera que se eviten las
interacciones magnéticas con la muestra y según el material se consiguen diferentes
máximas. También hay equipos en los que se calienta por espectroscopia infrarroja.
Las características más importantes que debe cumplir un horno son las siguientes:
1. Debe tener una zona de temperatura uniforme que debe ser mayor que la muestra y el
soporte en el que se coloca.
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2. El calor del horno no debe afectar el mecanismo de la balanza.
3. Debe ser capaz de una rápida respuesta y de calentar/enfriar con un amplio rango de
velocidades.
4. Para la realización de una serie de experimentos es muy útil que sea posible un
enfriamiento rápido (p. ej. si se calienta hasta 1200 ºC para volver a realizar medidas a
partir de T ambiente es necesario un enfriamiento rápido).
5. Las paredes del horno deben ser inertes tanto al gas utilizado como a productos
desprendidos del producto en todas las temperaturas usadas. Para ello se suele utilizar un
revestimiento de alúmina o de mulita, o de sílice para temperaturas más bajas.
La Figura 5 representa un esquema típico de TGA.
Figura 5. Esquema de TGA (Puelloa, Afanasjevab, & Alvarez, 2013)
6.1 Presentación De Resultados
El resultado de un análisis de TGA suele ser presentado en forma de gráfica conocida como
termograma o curva termogravimétrica.
20
La Figura 6. Presenta un termograma típico de los análisis de TGA, en este se presenta el
porcentaje de peso de la muestra en el eje Y, que puede ser presentado en valor absoluto o
en porcentaje, frente a la temperatura o al tiempo en el eje X.
Figura 6. Termograma típico de los ensayos de TGA (Puello Mendez, 2012)
Las unidades por tanto serán %/min, %/ ºC, mg/min o mg/ ºC.
Para la lectura de resultados es imprescindible especificar las condiciones experimentales
en las que se realizaron las medidas, tales como:
Atmosfera empleada y caudal
Programa de temperatura empleado
Masa de la muestra
Tipo y material de crisol
Equipo utilizados
21
6.2 Preparación De La Muestra
Los factores para la preparación adecuada de las muestras se pueden clasificar en las
siguientes categorías:
6.2.1 Factores Instrumentales
El portamuestras: el material del crisol puede influir en la transferencia de calor
debido a la diferente conductividad térmica o por medio de una reacción química.
La geometría del crisol también es importante ya que un crisol ancho y poco
profundo permite una rápida difusión de los gases reactantes hacia la muestra y una
rápida difusión de los gases producidos lejos de la muestra, mientas que un crisol
estrecho y profundo dificulta estos procesos.
La velocidad de calentamiento: los experimentos de análisis térmico se realizan
desde V=0 (isotérmicos), a velocidades normales alrededor de 10 K/min hasta
velocidades elevadas de 100º/min. La transferencia de calor entre la fuente y la
muestra y la referencia no es instantánea, depende de la conducción convención y
radiación dentro del aparato, hay entonces un retraso térmico que será mayor cuanto
mayor sea la velocidad de calentamiento. El efecto de la atmósfera puede deberse a
la diferente conductividad térmica de los gases o a la influencia en una reacción
química, por ejemplo un metal puede ser estable en atmósfera inerte pero puede
oxidarse en atmósfera de aire, también puede influir sobre un equilibrio químico en
el que uno de los productos de reacción es el gas. Factores relacionados con las
características de la muestra como masa, propiedades físicas, tamaño de partícula,
empaquetamiento o densidad influyen en los resultados del análisis.
22
Materiales con una densidad de empaquetamiento baja tienen huecos que reducen la
conductividad térmica de la muestra.
Un tamaño de partícula bajo permite un empaquetamiento más denso y por tanto
una conductividad térmica mayor.
6.3 Variables Estudiadas
Las condiciones experimentales afectan a las curvas de TGA y por lo tanto
las más estudiadas son las siguientes:
6.3.1 Factores instrumentales
Atmosfera del horno:
-tipo de gas
-velocidad de flujo
-estática o dinámica
Tamaño y forma del horno
Material y geometría del portamuestras
Tipo de unión del termopar
Velocidad de calentamiento
6.3.2 Características De La Muestra
Tamaño de las partículas
Densidad de empaquetamiento
Cantidad de muestra
Grado de cristalinidad
23
6.4 Interpretación De Curvas TGA
En termogravimetria, además del termograma o curva TGA, hay que recurrir a otras
gráficas que cumplen fines interpretativos:
La primera derivada (curva DTG, velocidad de la variación de masa).
EGA, Evolved Gas Analysis, por ejemplo, mediciones FTIR (Fourier transform in
fraredspectroscopy) de gases y vapores liberados.
La mayor parte de curvas de TGA se producen por pérdida de peso, cuya principal
razón suele ser:
Reacciones químicas (descomposición y separación del agua de cristalización,
combustión, reducción de óxidos metálicos)
Transformaciones físicas (evaporación, vaporización, sublimación, desorción,
desecación).
Las causas de las ganancias excepcionales de peso generalmente son:
Reacciones químicas (reacción con componentes gaseosos del gas de purga, como
O₂, CO₂ con transformación de compuestos no volátiles o poco volátiles).
Transformaciones físicas (adsorción de productos gaseosos en las muestras como
carbón activo).
6.5 Lectura de termogramas
En la
INTERPRETACIÓN DE CURVAS DE TGA
24
REACCIÓN QUÍMICA CURVA DE TGA
La muestra no sufre descomposición
con pérdida de productos volátiles en el
rango de temperatura mostrado. Pudiera
ocurrir reacciones tipo: transición de
fase, fundido, polimerización.
Descomposición térmica con formación
de productos de reacción de volátiles.
La curva se puede utilizar para definir
los límites de estabilidad del reactante,
determinar la estequiometria e
investigar la cinética de las reacciones.
Una rápida pérdida de masa inicial es
característica de procesos de desorción
o secado.
Se indica una descomposición
multietapa con intermedios
relativamente estables. Se puede definir
los límites de estabilidad del reactante e
intermedios, y de forma más compleja
la estequiometria la reacción.
25
También indica una descomposición
multietapa, pero los productos
intermedios no son estables, y poca
información se obtiene de la
estequiometria de la reacción.
Se observa una ganancia de masa como
consecuencia de la reacción de la
muestra con la atmósfera que la rodea.
El producto de una reacción de
oxidación se descompone a
temperaturas más elevadas.
Tabla 2 se muestra la lectura de termogramas producto de ensayos de TGA
INTERPRETACIÓN DE CURVAS DE TGA
REACCIÓN QUÍMICA CURVA DE TGA
26
La muestra no sufre descomposición
con pérdida de productos volátiles en el
rango de temperatura mostrado. Pudiera
ocurrir reacciones tipo: transición de
fase, fundido, polimerización.
Descomposición térmica con formación
de productos de reacción de volátiles.
La curva se puede utilizar para definir
los límites de estabilidad del reactante,
determinar la estequiometria e
investigar la cinética de las reacciones.
Una rápida pérdida de masa inicial es
característica de procesos de desorción
o secado.
Se indica una descomposición
multietapa con intermedios
relativamente estables. Se puede definir
los límites de estabilidad del reactante e
intermedios, y de forma más compleja
la estequiometria la reacción.
27
También indica una descomposición
multietapa, pero los productos
intermedios no son estables, y poca
información se obtiene de la
estequiometria de la reacción.
Se observa una ganancia de masa como
consecuencia de la reacción de la
muestra con la atmósfera que la rodea.
El producto de una reacción de
oxidación se descompone a
temperaturas más elevadas.
Tabla 2. Interpretación de lectura para las curvas de TGA. Fuente: elaboración propia
Es de particular interés, ya que no es muy común, la situación de aumento de masa
corresponde con un fenómeno llamado adsorción. Este se presenta principalmente cuando
los átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material, es
un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por
contacto con una superficie sólida (adsorbente).
28
7. Asfaltos modificados
7.1 Metodologías Para El Mejoramiento De Las Características De Las Mezclas
Asfálticas
Dentro de las prioridades de la industria constructiva se encuentra la búsqueda
constante del mejoramiento de características de las mezclas asfálticas; para obtener
mejores resultados, han sido implementados diferentes métodos que buscan la modificación
de las características más representativas de los asfaltos para su uso en mezclas, el principal
de ellos es la modificación usando agregado de polímeros y elastómeros que buscan hacer
cambios en la flexibilidad y la resistencia. Las metodologías usadas hasta la introducción
del Superpave daban una pequeña idea del comportamiento del asfalto, no obstante el
asfalto presenta un comportamiento visco elástico y con las metodologías
convencionalmente implementadas solo se puede medir consistencia o capacidad de fluir
(características reológicas) condiciones puntuales de temperatura (Villegas, Aguiar, Loria,
& Navas, 2012)de las mezclas asfálticas.
7.2 Ensayos De Caracterización Convencionales
7.2.1 Método universal de caracterización de ligantes (UCL)
El método UCL ha sido desarrollado pensando en la caracterización de los ligantes
desde el punto de vista de su utilización en carreteras. Se especializa en el estudio de las
siguientes propiedades:
Poder aglomerante
Su fluencia/fragilidad
Su durabilidad/adhesividad
Su durabilidad/envejecimiento
29
7.2.2 Ensayo de cántabro
El ensayo cántabro por ser experimental, no determina ningún parámetro
fundamental de la mezcla, como podría ser el ángulo de rozamiento, el modulo, pero si da
una idea clara de la capacidad del ligante para mantener unidos los áridos en la mezcla, y
como, cuando estas uniones son dúctiles y tenaces, las pérdidas son bajas, y cuando
resultan frágiles o poco consistentes, las perdidas aumentan. Cada aplicación de carga en el
firme o cada vuelta en la máquina de los ángeles dan un lugar a un proceso de deterioro.
Hay una parte de esta energía de deterioro que es absorbida en la deformación elástica del
material, otra parte se elimina en su deformación plástica y el resto es la que produce su
fisuración o rotura.
Las condiciones de ensayo de la probeta varían según la variable estudiada: susceptibilidad
térmica, adhesividad o envejecimiento.
7.2.3 Ensayo BTD
La dificultad de evaluar la resistencia a la fisuración de la mezcla por fatiga se debe
a la complejidad en los ensayos empleados en su determinación. Se trata de ensayos
dinámicos para los que es necesario disponer de prensas dinámicas y unos equipos muy
complejos de medida y de adquisición de datos. Es por ello, que en laboratorio de caminos
de la universidad politécnica de Cataluña se ha llevado a cabo un estudio con el fin de
poder correlacionar el comportamiento de la mezcla a fatiga con su tenacidad, energía de
rotura, determinada con un ensayo simple de tracción directa, ensayo BTD.
Mediante este ensayo se determina la tenacidad y deformación de rotura “d R” de la
mezcla. Aplicando este procedimiento bajo carga dinámica se obtiene su vida por fatiga y
30
deformación critica “d C”, deformación a la que se produce la rotura a fatiga y es constante
para cada mezcla con independencia del nivel de esfuerzos a que se realice el ensayo de
fatiga y, que puede ser considerada como una característica de la mezcla. También se ha
observado una clara correlación entre la deformación crítica y la de rotura de la mezcla, así
como entre la vida de fatiga y el cociente entre la deformación unitaria impuesta a la
mezcla y su deformación crítica.
El ensayo BTD está basado en un procedimiento especial para la fabricación de probetas
que permite ensayarlas a tracción. La probeta se fabrica en la compactadora Marshall sobre
una base construida por dos semicírculos con un resalto en la zona de contacto, lo que crea
una hendidura en la parte central de la probeta, y un sistema de anclaje donde aplicar los
esfuerzos de tracción. (PÉREZ JIMÉNEZ & MIRÓ RECASENS, 2002).
7.2.4 Ensayo Marshall
El método original únicamente es aplicable a mezclas asfálticas en caliente para
pavimentación, que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1”) o menor.
El método Marshall modificado se desarrollo para tamaños máximos arriba de 38 mm
(1.5”), y está pensado para diseño en laboratorio y control en campo de mezclas asfálticas
en caliente, con graduación densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza
empírica, la importancia de los resultados en términos de estimar el comportamiento en
campo se pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estándar.
El método Marshall utiliza especímenes de prueba estándar de 64 mm (2 ½) de alto y 102
mm (4”) de diámetro; se preparan mediante un procedimiento para calentar, combinar y
compactar mezclas de asfalto- agregado (ASTM D1559). Los dos aspectos principales del
31
método Marshall son la densidad-análisis de vacios, y la prueba de estabilidad y flujo de los
especímenes compactados; cabe mencionar que este procedimiento de diseño no tiene
especificado pruebas para agregados minerales ni para cementos asfalticos.
7.2.5 Método Superpave
Con el fin de generar un nuevo sistema para especificar materiales asfaltico, el producto
final del programa es un sistema llamado Superpave (Superior Performing Asphalt
Pavement). Representa una tecnología provista de tal manera que pueda especificar
cemento asfaltico y agregado mineral; desarrollar diseños de mezclas asfálticas; analizar y
establecer predicciones del desempeño del pavimento.
Este método evalúa los componentes de la mezcla asfáltica en forma individual (agregado
mineral y asfalto), y su interacción cuando están mezclados. (Garnica Anguas, Delgado
Alamilla, & Sandoval Sandoval, 2005)
7.3 Antecedentes de asfaltos modificados
La idea de modificar el asfalto con polímeros se remonta a 1960 en Italia, Francia
y Alemania, donde se llevaron a cabo los primeros proyectos de prueba. En esta época en
Estados Unidos también surgió la inquietud llevándose a cabo los primeros proyectos de
construcción en la década de los 60 en Italia se construyeron más de 1,000 km de carreteras
con asfalto de estas características.
Para llevar a cabo la modificación del asfalto se deben tener en cuenta sus especificaciones
de compatibilidad con los materiales que serán usados para la modificación; se considera
32
que un polímero o elastómero es compatible con la muestra cuando la hetereogeneneidad
de la mezcla no se puede apreciar por un examen visual.
Los asfaltos más ricos en fracciones aromáticas y resinas serán los más compatibles, ya que
estas fracciones son las que permiten que el polímero se disuelva. Los asfaltos menos
compatibles son los más ricos en asfáltenos y saturados, como se muestra en la Figura 7
para llevar a cabo la modificación del asfalto se debe conocer la compatibilidad de este con
el modificador para que coexistan como sistema, es decir debe ser miscible, lo que indica
una mezcla monofásica. La inmisibilidad se traduce en la aparición de una segunda fase.
Un polímero es compatible con el asfalto cuando la heterogeneidad de la mezcla no se
puede apreciar por un examen visual. (Avellán Cruz, 2007)
Figura 7. Visualizaciones micro estructurales de polímeros para definir compatibilidad con
asfalto, lo blanco es polímero y lo negro es asfalto. Fuente: conferencia introducción a la
química de asfalto Ing: Germán Garzón; Costa rica 2004.
33
Las pruebas de termo gravimetría ayudan en la determinación de características
fundamentales en el comportamiento físico y químico y la proporción de componentes
dependiendo de las características que la mezcla necesita cumplir para su uso (Juanghua
Wey, 1994). Para determinar la viabilidad del uso de cualquier modificante en una mezcla
asfáltica es necesario establecer protocolos que permitan reconocer sus características y el
comportamiento del asfalto ante la presencia de estas sustancias, pese a que existen varios
productos químicos patentados que están disponibles en la industria que pueden ayudar a
mejorar características de dureza y flexibilidad, como por ejemplo la reducción de la
temperatura con la que las mezclas deben ser realizadas, con el fin de mejorar su facilidad
de trabajo. Es necesario llevar a cabo estudios que establezcan con más claridad el
comportamiento físico y químico de las mezclas y sus componentes. Pese a diversos
estudios para evaluar las propiedades de las mezclas, las propiedades de los ligantes y
mezclas en condiciones de envejecimiento no se han estudiado con gran detalle (Gandhi,
2008), factor que es importante resaltar debido a que el mayor fenómeno que se presentan
en mezclas asfálticas en etapa de operación es el envejecimiento.
También se han propuesto agentes tenso activos en los esfuerzos por mejorar el
intervalo de temperatura útil y la estabilidad de fase de los cementos de asfalto; estos
podrían permitir una dispersión mejorada de la fase de asfáltenos y se propone que sean
usados para mejorar la durabilidad mediante la reducción de endurecimiento de procesos
químicos y físicos (Ahmed, Hesp, Samy, Rubab, & Warburton, 2013) y que fue establecida
a través de ensayos de termogravimetría; los beneficios de estos aditivos pueden influir en
la disminución de costos de energía y emisiones tóxicas además de la mejoría en las
características de compactación de la mezcla, en lugares con temperaturas bajas; otro
34
beneficio importante está en la reducción de tiempo y costos de transporte debido a la
posibilidad de trasladar la mezcla a distancias más largas sin sacrificar la calidad del
pavimento en ninguno de sus estados. (Eman I. Ahmed, 2012).
La mayoría de los asfaltos modificados, son producto de la incorporación en el
asfalto de un polímero o de hule molido. Esto se realiza con el fin de que sus propiedades
físicas y reológicas se modifiquen buscando la reducción de susceptibilidad a la
temperatura, humedad y oxidación e incrementar la adherencia con el material pétreo
(Garcia, Delgado, Gomez, & Gonzalez, 2004) y se usan pruebas de TGA y DSC para la
determinación de elementos importantes en la composición de cada uno de los
componentes de las mezclas asfálticas (Chowdhury & W. Button, 2008).
7.4 Objetivo De La Modificación De Asfaltos
El objetivo principal de la modificación de asfaltos es el mejoramiento de
características reológicas, físicas y químicas buscando particularmente las siguientes
condiciones:
Disminuir la susceptibilidad térmica, esta se define como la aptitud que presenta un
producto para variar su viscosidad en sunción de la temperatura, los materiales
menos susceptibles son los oxidados y los más susceptibles son los alquitranes; la
fragilidad que se define como la cualidad de los objetos y materiales de perder su
estado original por deformación, en climas fríos y aumentar la cohesión que indica
la unión o enlace de varios elementos en tiempos de calor.
Disminuir la susceptibilidad a los tiempos de aplicación de carga.
35
Aumentar la resistencia a la deformación permanente y a la rotura en un rango más
amplio de temperatura, tensiones y tiempo de carga.
Mejorar la adherencia de agregados.
Las pruebas de TGA y DSC definirán por medio de la lectura de termogramas las
características que un agregado debe cumplir para la obtención de la mejor mezcla
dependiendo de características de temperatura y uso para la cual esta es diseñada.
Avances desarrollados recientemente en Europa ha ganado interés en EE.UU por la
reducción de la viscosidad del aglutinante del asfalto además de aumentar la flexibilidad de
uso de la mezcla utilizando un calor mínimo, la mezcla se puede producir a 100° F, una
temperatura mucho más baja que la tradicional (Joe W. Button, 2008). Este estudio condujo
a las mismas conclusiones que los ensayos documentados han obtenido, entre sus
beneficios se encuentran:
Ahorro de costos en energía eléctrica
Reducción de olores perjudiciales para la salud
Posibilidad de construcción en periodos de menor actividad
7.5 Materiales Usados En La Modificación De Asfaltos
Con el fin de reducir la deformación por Ahuellamiento y fracturas a causa de las
bajas temperaturas, se han empleado diversos polímeros, fibras y cauchos que han sido
añadidos al asfalto con el fin de aumentar el rango de temperatura en las que se producen
los fallos en la mezcla y de aumentar sus propiedades elásticas y viscosas (Villegas
Villegas, Aguiar Moya, Loría Salazar, & Navas Carro, Métodos modernos de incorporación
polimérica en matrices asfálticas, 2009).
36
7.5.1 Tipo de modificadores
De acuerdo con las funciones y comportamientos de varios modificadores en asfaltos,
los modificadores se pueden clasificar en cinco tipos: termoplásticos dispersos,
termoplásticos de red, polímeros de reacción, fibras y partículas (CRM) polvo de neumático
(Rojas-González & Barraza-Burgos, 2013). Puede expresarse que se tienen dos familias
principales de polímeros de aplicación en asfaltos: los plastómeros y los elastómeros. Las
propiedades químicas de cada uno son diferentes al igual que el impacto a esperar de su
empleo. Los plastómeros otorgan rigidez al asfalto para contrarrestar la deformación
permanente, sobre todo en temperaturas altas. Los elastómeros otorgan rigidez pero
también elasticidad, sobre todo en temperaturas bajas o cambiantes que resultan en fatiga.
Por lo tanto el polímero mejor indicado en una obra, aparte de lo económico, va a depender
de los problemas específicos que enfrente el caminero y las mejoras que se deseen de la
modificación (Reyes, Madrid, & Salas, 2007). Es generalmente aceptado que los
elastómeros pueden mejorar la resistencia a la deformación plástica, a la vez que mejoran, o
al menos no perjudican, la resistencia al agrietamiento por fatiga. En general las
experiencias con plastómeros son muy positivas en mejoramiento de la resistencia a la
deformación plástica a temperaturas altas de operación, pero a veces no son tan favorables
en resistencia al agrietamiento por fatiga, a temperaturas intermedias (Spinelli, 2013).
Los termoplásticos dispersos se comportan como los asfáltenos y normalmente
requieren agentes modificados químicamente como resinas para estabilizar los
sistemas modificados en grandes cantidades para formar una red macro estructural,
teniendo en cuenta que según estudios realizados los grupos típicos de asfalto suelen
reaccionar muy bien con polímeros que incluyen ácidos, carboxílicos y cetonas
37
(Wey, Shull, Barak, & Hawle, 1994), como es el caso de la combinación de HP-
GPC Y FTIR , la cual se concluye que es excelente para evitar el Ahuellamiento y
el control de calidad de ligantes de polímeros y asfáltenos (Roonasi & Holmgren, A
Fourier transform infrared (FTIR) and thermogravimetric analysis (TGA) study of
oleate adsorbed on magnetite nano-particle surface, 2008).
Elastómeros: son polímeros de respuesta elástica (caucho, SBS, SBR, isopreno) que
pueden transferir esta característica al asfalto (elasticidad).
Plastómeros: Rigidizan el asfalto ofreciendo resistencia, como consecuencia no son
deformables elásticamente (PVC, EVA).
Dentro de los polímeros más usados se encuentra el caucho sintético que se prepara a
partir de hidrocarburos insaturados. En estado natural, el caucho aparece en forma de
suspensión coloidal en el látex de las plantas productoras. El caucho sintético se obtiene por
reacciones químicas conocidas como condensación o polimerización a partir de
determinados hidrocarburos insaturados. Los compuestos básicos del caucho sintético
llamados manómetros tienen una masa molecular pequeña y forman moléculas gigantes
denominadas polímeros. Después de su fabricación el caucho sintético también se vulcaniza
(Seymur, R. B. et al, 1995). La cinética de degradación del caucho es estudiada mediante
técnicas de termogravimetria TGA que mide la pérdida de peso en función del tiempo y la
temperatura. Los principales componentes encontrados son y diferenciados mediante esta
técnica son:
Caucho natural
Caucho sintético
Caucho poli-butadieno
38
Aditivos y plastificantes
La mayoría de modificaciones con caucho ya sea natural o sintético se realiza por
medio de dispersión por vía húmeda ya que garantiza una adecuada interacción entre las
moléculas de caucho y las fracciones de máltenos del asfalto, dándose un proceso de
humectación e hinchamiento (Gerardo Botasso, 2010); La degradación del caucho presenta
dos etapas de reacción en condiciones isotérmicas (Botasso, Rebollo, Cuattrocchio, &
Soengas, 2008) (Mniranda Guardiola, Segovia Martinez, & Sosa Blanco, 2006)
Como ejemplo de la aplicación de estas técnicas a mezclas asfálticas con el fin de
mejorar sus cualidades físico químicas a demás de aumentar su trabajabilidad, sea
empleado un método que consiste en la aplicación de una aditivo conocido reciclable de
bajo costo que además de fomentar la mejoría de las mezclas es amigable con el medio
ambiente y tiene un bajo costo, tomando como principio el uso de tecnología WMA , este
procedimiento tiene como objetivo generar un espumado en la mezcla con el fin de
disminuir la temperatura de mezcla y facilitar el proceso. (Rondón, Urazán, & Chávez,
2015)
7.6 Implementación de Aditivos Naturales Como Componente de Mejoramiento de
Mezclas Asfálticas
Con el fin del mejoramiento de mezclas asfálticas que sean amigables con el medio
ambiente, además de implementar el uso de polímeros contaminantes como aditivos que
mejoran las características de las mezclas, en los últimos años se han realizado
investigaciones que conducen al uso de elementos naturales con estructuras físicas
adecuadas para el mejoramiento de las mezclas; entre estos elementos se encuentra el ácido
39
oleico, típico en los aceites vegetales identificado como un ácido graso mono insaturado y
usado por sus propiedades magnéticas.
7.7 Implementación De Metodologías de caracterización (DSC Y TGA) Para Mezclas
Asfálticas Modificadas
Durante los 90 como resultado de SHRP (Strategic Highway Research Program), la
tecnología Superpav fue muy novedosa en términos de caracterización de ligantes ya que
introdujo el concepto de desempeño de ligante además de involucrar el efecto de la
temperatura en el mismo, esto contribuyo con el enriquecimiento de los ensayos que se
realizaban comúnmente (penetración, viscosidad), estas daban ciertas nociones a cerca del
comportamiento de ligantes y aditivos de mezclas pero sin caracterizar de manera correcta
los componentes (Villegas Villegas, Aguiar Moya, Loría Salazar, & Navas Carro, Métodos
modernos de incorporación polimérica en matrices asfálticas, 2009).
El Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LanammeUCR)
propone una metodología integral basada en técnicas de ciencias de materiales como
Microscopia de Fuerza Atómica, Reología, Calorimetría de Barrido Diferencial (DSC),
Análisis Termo gravimétrico (TGA), los cuales proporcionan información importante para
el diseño de las condiciones del proceso de modificación, con base en parámetros
cualitativos. Esta metodología permitiría el control de calidad no solo de los materiales de
partida (asfalto y modificante), el producto final (asfalto modificado) en un esquema de
sencilla aplicación metodológica pero de alta eficacia en la aceptación o rechazo del asfalto
modificado, según los parámetros de desempeño requeridos (Rafael Ernesto Villegas
Villegas, 2013)
40
Mediante pruebas de TGA y DSC se han logrado evidenciar los comportamientos de
la mezcla a causa de la adición de diferentes sustancias mediante la lectura de termogramas,
en donde se detectó una cambio en la masa de la mezcla, se concluye mediante estas
mediciones que la pérdida de peso está relacionada con la escisión de doble enlace y la
formación del compuesto intermedio (Roonasi & Holmgren, A Fourier transform infrared
(FTIR) and thermogravimetric analysis (TGA) study of oleate adsorbed on magnetite nano-
particle surface, 2008).
Para mostrar la importancia del uso las técnicas TGA y FTIR en la identificación de
cambios en la estructura fisicoquímica de una mezcla asfáltica, se toma como ejemplo el
comportamiento térmico del asfalto de Apiay. Este muestra regiones diferenciadas que
corresponden a la degradación térmica de la fracción de máltenos y asfáltenos mediante la
aplicación de programas de temperaturas controladas; para este tipo de experiencias y como
complemento del estudio realizado es recomendable implementar también los análisis por
DSC para las fracciones de máltenos y asfáltenos de cada asfalto, así como el análisis de
pérdida de masa para cada etapa de degradación, tanto en función de la temperatura como
del tiempo. (Afanasjeva, Cifuentes, & Mendez, 2013).
7.8 Determinación Mediante Ensayos de TGA y DSC De Problemas Que Se Presentan
En Mezclas Asfálticas
A demás de obtener información importante en la etapa de diseño, los ensayos de
gravimetría permiten establecer el estado de los componentes de una mezcla asfáltica en
etapa de operación, es determinante a la hora de establecer la causa de los fenómenos que
alteran la estructura física y química de las mezclas, esta sección identifica los problemas
más frecuentes que generan envejecimiento en una mezcla asfáltica con el fin de establecer
41
la importancia de los ensayos de gravimetría en las mezclas asfálticas (Pirmohammad &
Ayatollahi, Fracture resistance of asphalt concrete under different loading modes and
temperature conditions, 2013). Uno de los fenómenos más comunes que se presenta en las
mezclas asfálticas es el envejecimiento que se genera durante los procesos de fabricación
del aglomerado y durante el tiempo de operación, hay dos tipos de mecanismos uno de
ellos es irreversible caracterizado por cambios químicos los cuales afectan el
comportamiento reológico de la mezcla.
La mayor parte de casos de envejecimiento se produce por oxidación; la oxidación
es la producción de carbonilos a causa de la unión entre partículas de asfalto y el oxígeno
existente en el ambiente (Christian Cortes, 2010), es el fenómeno fisicoquímico más
relevante y de mayor incidencia en el de envejecimiento de mezcla asfáltica (Freddy
Reyes, 2010), un porcentaje importante de la oxidación ocurre en el proceso de mezclado
(J. Don Brock, 1994); Los procesos que contribuyen a este tipo de envejecimiento son
oxidaciones caracterizadas por perdida de componentes volátiles y migración de ciertos
componentes; el segundo mecanismo es reversible llamado endurecimiento físico, este
puede ser atribuido a una reorganización de las moléculas del betún para un estado más
estable, para el estudio de estas propiedades se han usado las técnicas de TGA y DSC y
reometría de corte dinámico (DSR) (Bretón, Redondo, Suárez, Garcia, & Martinez,
2010).Se han definido cuatro procedimientos donde la oxidación se presenta comúnmente:
Sistema de manejo del líquido en planta: proceso de mezclado, superficie de carretera y
pavimento, tolvas de mezcla en caliente. La razón principal del uso de diferentes tipos de
mezclas (WMA) es proporcionar facilidad para la ejecución de todas las etapas operativas
por las cuales tiene que atravesar la mezcla asfáltica (Aboelkasim Diab, 2013)y su
42
determinación por medio de ensayos de gravimetría restan esfuerzos y aumentan niveles de
información para lograr efectos importantes en las mezclas asfálticas, esto con el fin de
reducir efectos negativos que generen degradación de compuestos y por tanto
envejecimiento que afectara a gran escala su calidad de operación (PEÑA & OSPINA,
2012). (Pirmohammad & Ayatollahi, Fracture resistance of asphalt concrete under different
loading modes, 2014).
8. Discusión
Según reporte del IDU (Instituto de Desarrollo Urbano) a diciembre del 2014 (IDU,
2014) , en Bogotá aproximadamente el 12,37% de la malla vial (arterial, intermedia y local)
se encontraba en mal estado, el 17,33% se encontraba en regular estado y el 70,30% en
buen estado ((IDU), 2013). Esto hace que (a pesar de que estas estadísticas se ven afectadas
por factores económicos y políticos) se orienten proyectos de investigación en los cuales se
busca producir materiales (mezclas asfálticas) que sean más resistentes al deterioro
ambiental y a cargas mecánicas por tazas de motorización elevadas.
Teniendo en cuenta la búsqueda constante del mejoramiento de proyectos viales que
además de ser funcionales no impliquen sobrecostos de mantenimiento por fatiga o
ahuellamiento de la mezcla asfáltica en etapa de operación, es necesario y de gran utilidad
la práctica de los ensayos de caracterización de los componentes más representativos de
una mezcla ya que estos son importantes para obtener información que permita determinar
la cantidad necesaria de un polímero (en el caso de tratarse de una mezcla sometida a
modificación ) o de agregado pétreo en una mezcla dependiendo de sus requerimientos de
diseño. Los métodos de modificación asfáltica son variados, un ejemplo de ellos es la
clasificación del asfalto según su grado de penetración o por viscosidad, pero esta técnica
43
brida información limitada de la respuesta del material bajo condiciones muy específicas y
no necesariamente representativas de las condiciones a las que se someterá en campo. Esto
es aún más crítico en el caso de asfaltos modificados. De tal forma que es importante
realizar ensayos adicionales que permitan caracterizar desde un punto de vista reológico el
desempeño esperado del material (Moya, 2012) pero en cualquiera de ellos hacer uso de
estudios gravimétricos es muy importante porque permite la caracterización de todos los
componentes las nuevas técnicas instrumentales proveen una herramienta muy poderosa
para la caracterización físico-química de los materiales, identificando las propiedades de los
elementos de partir de lecturas de diagramas propios de las técnicas. De igual manera
permite evidenciar los cambios ocurridos en el asfalto modificado con polímeros, su
interpretación ayuda a clarificar si existe una mejora significativa en las propiedades
requeridas del material.
Los ensayos de termográvimetria permiten establecer el comportamiento de las
mezclas asfálticas modificadas usadas en los procesos de pavimentación no solo en la
ciudad de Bogotá sino en todo el mundo por medio de la lectura de termogramas básicos
que resultan de las prácticas de TGA y DSC desarrolladas en laboratorios especializados;
según En particular, al utilizar las técnicas DSC y TGA se pueden llegar a detectar
componentes o fases presentes en una mezcla asfáltica y por ende establecer sus
propiedades térmicas y mecánicas (tales como puntos de fusión y descomposición, procesos
de oxidación, temperaturas de transición vítrea); según (Chowdhury & W. Button, 2008) ,se
usan pruebas de TGA y DSC para la determinación de elementos importantes en la
composición de cada uno de los componentes de las mezclas asfálticas. Esto resulta de gran
utilidad cuando se busca establecer las características específicas que den como resultado
44
una mezcla asfáltica con mejores estándares de conservación y duración optimizando su
funcionamiento. Como consecuencia se generarían reducciones importantes en los procesos
de mantenimiento y en el presupuesto de ejecución de un proyecto vial, además se induciría
una reducción en la emisión de gases contaminantes hacia el medio ambiente.
Adicionalmente, los análisis térmicos (TGA y DSC) ayudan a comparar cuales son los
polímeros que se pueden comportar mejor durante su incorporación al asfalto, y proveen
información de cuál será su desempeño en servicio. (Rafael Ernesto Villegas-Villegas,
2013). Así pues, además del comportamiento de la mezcla en condiciones de uso, será
necesario el estudio a profundidad del comportamiento físico químico de los efectos de los
ligantes por medio de la lectura de los termogramas de cada sustancia.
A demás de las cualidades anteriormente mostradas de las técnicas de gravimetría el uso de
estos ensayos para determinar el comportamiento de los componentes de mezclas asfálticas,
presentan gran cantidad de información y los tiempos de recopilación que emplea son bajos
y la lectura es fácil de realizar. Se observo que muchos de los artículos sometidos a
revisión presentaron variables de temperatura presión y resistencia que fueron tomadas en
cuenta para la determinación de factores que llevan al envejecimiento o degradación de una
mezcla asfáltica, uno de ellos, ensayos realizados por investigadores concluyeron que la
presencia de diferentes agregados puede afectar la velocidad de envejecimiento en la
mezcla (Arega, Bhasin, & Kesel, 2013), la mayoría de ensayos realizados buscan
determinar los factores que alteran el envejecimiento en una mezcla, es importante
involucrar dentro de las ventajas del uso la posible predicción de tiempos en donde la
mezcla alcanza el envejecimiento, además de establecer la importancia del uso de la técnica
de DSC como complemento de la TGA ya que esta puede trabajar con un amplio intervalo
45
de temperaturas que va desde -195 ºC (temperatura del nitrógeno líquido) hasta unos 600º C
en las maquinas más antiguas que realizan procesos de DSC y que estas alcanzan en la
actualidad temperaturas que superan los 1200 ºC es por esta característica que esta técnica
de análisis se emplea para estudiar aquellos materiales que sufren transiciones térmicas en
estos rangos de temperaturas (polímeros) (CSIC, 2003) (Bretón, Redondo, Suárez, Garcia,
& Martinez, 2010).
Las técnicas de termo gravimetría además de tener una ejecución simple dentro de su
composición, tiene múltiples ventajas, a parte de la determinación de las dinámicas internas
de los materiales, las pruebas de termo gravimetría permiten obtener medidas de capacidad
calorífica aparente lo que se traduce en identificación de las condiciones en las que ocurren
fenómenos de relajación estructural, los más frecuentes en el caso de mezclas asfálticas,
además de establecer estas medidas, determinan temperaturas características de
transformación de materia (transición vítrea, ferro-paramagnética, cristalización,
transformaciones polimórficas, fusión, ebullición, sublimación, descomposición,
isomerización). (S. SURIÑACH, 1992).Por otro lado, podemos establecer que mediante
ensayos de gravimetría se pueden conocer procesos importantes, es posible acceder a la
micro-estructura de cualquier sistema de materiales en función de la aplicación deseada
(Tejash Gandhi*, 2009); Para ello es necesario el conocimiento de la ecuación fundamental
de la cinética:
dx/dt = k(T)f(x)
46
9. Conclusiones
Para realizar esta investigación fueron consultados 80 artículos de los cuales 60 fueron
tomados en cuenta debido al uso de las técnicas de termográvimetria (TGA y DSC) llegado
a las siguientes conclusiones:
Aunque el análisis de termo gravimetría (TGA) se relaciona y son absolutamente
compatibles y complementarios con el ensayo de calorimetría de barrido diferencia
(DSC) la información recopilada diferencia entre la realización da muestra una
marcada diferencia entre la realización de uno y del otro, esto teniendo en cuenta
que la información recopilada de técnicas de DSC fue muy poca en comparación
con la de TGA.
La incorporación de aditivos y/o agregados que aumenten la calidad de una mezcla
asfáltica puede ser diseñada por medio de lecturas de termo gramas que
especifiquen la composición y cantidad de elemento adicionado.
Las técnicas de gravimetría iniciaron como pruebas experimentales, el uso de estas
se incrementa debido a la calidad de información útil que aporta a cerca de la
composición de cualquier mezcla (para este caso las asfálticas).
La determinación de características de temperatura es crucial para la evaluación de
calidad de una mezcla asfáltica.
A demás de poseer la tecnología adecuada para permitir una caracterización
completa de los componentes de las mezclas (en este caso asfálticas) el poder de
predicción, lo cual será empleado para el diseño y predicción de comportamientos
de las mezclas tibias teniendo en cuenta los factores externos (naturales y
47
artificiales) y lis internos (fenomenitos de envejecimiento por oxidación,
Ahuellamiento y fatiga de mezclas).
En la búsqueda se encontró que aunque el tema es reconocido mundialmente, la
aplicación en mezclas asfálticas se está empleando hasta hace muy poco debido a el
desconocimiento de las técnicas y la falta de equipos necesarios para su realización,
en Colombia se usa para la determinación y caracterización de materiales,
generalmente polímeros que son usados para la modificación de las mezclas
asfálticas.
Aparte de los factores ambientales que alteran la composición química de las
mezclas asfálticas se encuentra principalmente la temperatura a la que puede ser
sometida hasta encontrar su punto de transición, donde la mezcla se rigidiza y
quiebra debido a la carga monotónica que soporta; los últimos ensayos realizados
no solo involucran la búsqueda de la máxima temperatura que soporta en etapa de
operación, además de ello, buscan la temperatura a la que debe ser mezclada de
acuerdo a la composición de esta , es decir el tipo de asfalto y los agregados pétreos
que lo componen por medio de metodologías que involucran el uso de técnicas de
gravimetría.
Las técnicas de TGA y DSC son compatibles y se recomienda de manera prioritaria
que se realicen alternamente los dos ensayos.
La técnica de DSC se ha revelado como una técnica importante en el campo de la
Ciencia de Materiales debido a su elevado grado de sensibilidad y a su rápida
velocidad de análisis. Por otra parte, es una realidad, que el conocimiento de la
estabilidad térmica (se refiere a que la temperatura de la muestra en estudio no varié
48
en más de 3º C con respecto a la temperatura de la referencia) de un material, así
como la completa caracterización de sus transiciones, es de interés primordial en
investigación de las propiedades de materiales con potenciales aplicaciones
industriales.
Para identificar el tipo de transformación que tiene lugar a una determinada
temperatura, es preciso acudir, la mayor parte de las veces, a técnicas
experimentales complementarias que nos permitan ratificar la validez de las
conclusiones extraídas de las curvas de DSC. (Suriñach, Baro, Bordas, Clavaguera,
& Clavaguera-Mora, 1992).
La importancia del uso de técnicas gravimétricas radican en la metodología de
implementación, delimitada mediante variantes químicas que definen las reacciones
que se presentan dentro de la estructura física de la mezcla, estas técnicas pueden
ser físicas, químicas y/o mecánicas.
Las pruebas de termo gravimetría ayudan en la determinación de características
fundamentales en el comportamiento físico y químico y la proporción de
componentes dependiendo de las características que la mezcla necesita cumplir para
su uso (Juanghua Wey, 1994).
Mediante pruebas de TGA y DSC fueron evidenciados los comportamientos de la
mezcla a causa de la adición de diferentes sustancias mediante la lectura de
termogramas en donde se detecto una cambio en la masa de la mezcla, se concluye
mediante estas mediciones que la pérdida de peso está relacionada con la escisión
de doble enlace y la formación del compuesto intermedio (Roonasi & Holmgren, A
49
Fourier transform infrared (FTIR) and thermogravimetric analysis (TGA) study of
oleate adsorbed on magnetite nano-particle surface, 2008).
50
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