posibilidades de modificación de asfaltos con nano
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Posibilidades de Modificación de Asfaltos con Nano Arcillas
Proyecto de Grado Ingeniería Civil
Presentado por:
Juan Pablo Vargas
Asesora: Silvia Caro Spinel
Universidad de Los Andes
Facultad de Ingeniería
Depto. Ingeniería Civil y Ambiental
Bogotá, D.C, Junio de 2011
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Tabla de contenido
1 Introducción ..................................................................................................................... 5
2 Objetivos .......................................................................................................................... 7
2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 7
2.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 7
3 Nanoarcillas ..................................................................................................................... 8
3.1 Definición y principios de su fabricación. ................................................................ 8
3.2 Ensayos de caracterización de las nanoarcillas ................................................... 11
3.2.1 Difracción de rayos X (XRD) .......................................................................... 12
3.2.2 Análisis termo gravimétrico (TGA) ................................................................. 13
3.2.3 Espectrometría infrarroja (FTIR) .................................................................... 14
3.3 Aplicaciones de las nanoarcillas............................................................................ 14
3.3.1 Refuerzo de polímeros ................................................................................... 15
3.3.2 Otros campos de aplicación ........................................................................... 16
4 Modificación de ligantes asfálticos ............................................................................... 19
4.1 Ensayos de caracterización de nanocompuestos asfálticos ................................ 19
4.2 Caracterización empírica en ligantes asfálticos .................................................... 20
4.2.1 Ensayo de penetración ................................................................................... 20
4.2.2 Ensayo de punto de ablandamiento............................................................... 21
4.2.3 Ensayo de ductilidad ...................................................................................... 22
4.2.4 Viscosidad ...................................................................................................... 23
4.3 Caracterización fundamental en ligantes asfálticos .............................................. 23
4.4 Proceso de modificación del ligante con nanoarcilla ............................................ 26
4.5 Efectos de la modificación en la caracterización de ligantes asfálticos ............... 27
4.5.1 Difracción de rayos X y análisis térmico de los nanocompuestos asfálticos 27
4.5.2 Caracterización empírica ................................................................................ 31
4.5.3 Caracterización fundamental.......................................................................... 33
4.5.4 Daño por fatiga ............................................................................................... 36
4.5.5 Daño por deformaciones permanentes (ahuellamiento) ............................... 40
4.5.6 Envejecimiento ............................................................................................... 41
5 Modificación de mezclas asfálticas ............................................................................... 50
5.1 Ensayos de caracterización de mezclas asfálticas ............................................... 50
5.1.1 Ensayo de resistencia a la tensión indirecta (ITS)......................................... 50
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5.1.2 Ensayo de módulo resiliente (MR) ................................................................. 51
5.1.3 Ensayo de creep dinámico ............................................................................. 51
5.1.4 Ensayo de resistencia a la fatiga ................................................................... 52
5.2 Efectos de la modificación en la caracterización de mezclas asfálticas .............. 52
5.2.1 Resistencia a la tensión indirecta (ITS) ......................................................... 52
5.2.2 Módulo resiliente (MR) ................................................................................... 55
5.2.3 Creep dinámico............................................................................................... 56
5.2.4 Fatiga .............................................................................................................. 58
5.3 Productos más utilizados en la modificación de ligantes y mezclas .................... 61
6 Aspectos a considerar para la modificación con nanoarcillas en Colombia ................ 63
7 Conclusiones y Recomendaciones ............................................................................... 65
8 Bibliografía..................................................................................................................... 67
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Transformación de arcilla natural en Organoarcilla. .............................................. 9
Figura 2. Esquema de tipos de estructuras posibles en mezclas asfalto-nanoarcilla. ....... 11
Figura 3. Gráfica Resultante de la Difracción por Rayos X sobre una muestra de un
Nanocompuesto polimérico (Underhill 2009). ...................................................................... 13
Figura 4. Esquema del Ensayo de Penetración (UCN 2011). ............................................. 21
Figura 5. Esquema del ensayo de Ductilidad (UCN 2011). ................................................. 22
Figura 6. Reómetro de Corte Dinámico (DSR) (Muench 2011) .......................................... 24
Figura 7. Parámetros fundamentales de caracterización en un material visco elástico en el
dominio de la frecuencia ...................................................................................................... 25
Figura 8. Curvas resultantes de la difracción de rayos X en nanocompuestos asfálticos
(Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010). ....................................................... 28
Figura 9. Resultado de difracción por rayos X en nanocompuestos con estructuras
exfoliadas (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009). .............................................................. 30
Figura 10. G* vs. Temperatura en asfaltos modificados con Organoarcilla (Yu et al. 2007)
.............................................................................................................................................. 35
Figura 11. δ vs. Temperatura en asfaltos modificados con Organoarcilla (Yu et al. 2007) 35
Figura 12. Curva Maestra para G* en ligante asfáltico modificado con Nanoarcilla
(Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009) ................................................................................. 36
Figura 13. Curva Maestra para δ en ligante asfáltico modificado con Nanoarcilla
(Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009) ................................................................................. 36
Figura 14. G* (sen(d)) vs. Temperatura en ligantes asfálticos modificados con nanoarcilla
(Ghile 2006) .......................................................................................................................... 38
Figura 15. Vida de fatiga para asfaltos modificados con nanoarcilla (Wu, Wang y Jiesheng
s.f.) ........................................................................................................................................ 39
Figura 16. Curvas de G*/Sen (δ) vs. Temperatura (Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-
Nejad 2010) .......................................................................................................................... 41
Figura 17. RP e ISP para envejecimiento en el corto y largo plazo (Ghile 2006) ............... 43
Figura 18. Comparación para RP entre Nanofil 15 y Cloisite 15A (Andalibizade y
Vossough 2010) ................................................................................................................... 44
Figura 19. Índice de envejecimiento vs. Frecuencia (G. Liu et al. 2010) ............................ 45
Figura 20. Curva maestra para G* en asfalto fresco y envejecido (corto plazo)
(Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009) ................................................................................. 46
Figura 21. Curva maestra para δ en asfalto fresco y envejecido (corto plazo) (Ghaffarpour
Jahromi y Khodaii 2009) ....................................................................................................... 47
Figura 22. Tortuosidad de ruta de acceso de oxígeno al asfalto ........................................ 48
Figura 23. Esquema Ensayo de Tensión Indirecta .............................................................. 50
Figura 24. Curva de Fuerza vs Desplazamiento (Ghile 2006) ............................................ 53
Figura 25. ITS vs temperatura (Ghile 2006) ........................................................................ 54
Figura 26. Curva maestra para MR de mezclas asfálticas (Ghile 2006) ............................ 56
Figura 27. Deformación acumulada vs Número de repeticiones (Ghile 2006) ................... 57
Figura 28. Vida de fatiga vs. Esfuerzo (Ghile 2006) ............................................................ 59
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1 Introducción
El asfalto constituye uno de los materiales más comunes en la construcción de
vías dentro del ejercicio de la ingeniería civil. Éste material puede obtenerse a
partir de dos modos principales: el primero está constituido por las fuentes
naturales de bitumen que se encuentran en el mundo y el segundo por los
procesos industriales que se llevan a cabo mediante la destilación del crudo de
petróleo, de la cual se obtienen múltiples derivados. El asfalto es uno de los
últimos productos que resultan de la refinación de petróleo y a su vez, uno de los
menos costosos. Por lo anterior, la industria petrolera usualmente no invierte
mayores esfuerzos en la modificación de sus procesos para garantizar la
obtención de asfaltos de mejor calidad. Así, la ingeniería de pavimentos tiene a su
cargo la tarea de innovar, evaluar e implementar técnicas que permitan el
mejoramiento de las características físicas y químicas del material para aumentar
su capacidad mecánica dentro de las estructuras de pavimento. La principal
metodología desarrollada hasta ahora en pro de mejorar la calidad del asfalto que
se recibe de la destilación de crudo, constituye la modificación química de éste. En
cuanto a ello, se han desarrollado variedad de estudios sobre la modificación con
diversidad de materiales como polímeros, fibras y demás recursos que han
demostrado ser mecánicamente eficientes, pero que en algunos casos no
representan beneficios económicos para la construcción de vías (Abtahi,
Sheikhzadeh y Hejazi 2009).
El objetivo principal de este trabajo es presentar el estado del conocimiento en el
tema de modificación de asfaltos con nanoarcillas, así como las técnicas de
elaboración de éstos nanocompuestos y sus variados usos y aplicaciones en otros
campos. Esto, ayudará a entender la naturaleza de estos materiales y la
efectividad que tienen sobre ligantes y mezclas asfálticas. Así, la importancia del
trabajo radica en la necesidad de mejorar la calidad de los materiales asfálticos
con nuevas y mejores alternativas.
A lo largo del documento se presenta una primera explicación de los conceptos
básicos de nanotecnología y nanomateriales, para entender en parte la naturaleza
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de las nanoarcillas; de igual forma, se hace una presentación de los principales
campos de aplicación de las nanoarcillas en la actualidad y de los productos
registrados más utilizados en ellos. Como objetivo principal del estudio, se
presenta un compendio de la información encontrada en la literatura existente
acerca de todo lo que se ha realizado en tema de modificación de ligantes asfaltos
y su caracterización mecánica, así como la evaluación del desempeño de mezclas
asfálticas. Finalmente se presentan algunas conclusiones sobre la información
encontrada y estudiada.
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2 Objetivos
2.1 Objetivo General
- Presentar los conceptos y principios básicos de la elaboración de las
nanoarcillas.
- Describir la naturaleza de las nanoarcillas y su aplicación en los diferentes
campos del conocimiento.
2.2 Objetivos Específicos
- Analizar los diferentes ensayos y modificaciones que se han hecho en el
mundo a muestras de determinados tipos de asfalto con el fin de mejorar
sus propiedades mecánicas.
- Conocer los efectos que producen las nanoarcillas en muestras de mezclas
asfálticas y determinar la eficiencia que tienen para mejorar la resistencia
ante determinados mecanismos de daño (humedad, fatiga, ahuellamiento,
entre otros) en el material.
- Evaluar los aspectos que se deben considerar para modificar ligantes y
mezclas asfálticas en el país.
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3 Nanoarcillas
3.1 Definición y principios de su fabricación.
Para tener una clara idea de lo que son las nanoarcillas, es importante tener claros
los conceptos de nanociencia y nanotecnología que desde hace poco tiempo han
venido cobrando importancia por los beneficios asociados a sus aplicaciones. En
general, se tiende a pensar que dado el prefijo “nano” que poseen las dos
palabras, esto involucra principalmente materiales, dispositivos y sistemas
asociados a la dimensión nanométrica; así, la nanotecnología trata con estructuras
pequeñas o materiales de tamaños en esta escala. Un nanómetro corresponde a
10-9 metros y de igual forma es equivalente a la distancia ocupada
longitudinalmente por 10 átomos de hidrógeno. Estos materiales han sido
reconocidos positivamente por sus buenas características físicas y por los buenos
efectos que causa su interacción química con otros materiales (Cao y Wang
2011).
Por su parte, la arcilla es un material cohesivo que es producto de las
transformaciones metamórficas de las rocas durante largos períodos de tiempo;
por esta razón, este tipo de suelo es susceptible a una gran variedad de cambios
físicos a los que está altamente expuesto en la naturaleza. Uno de los principales
efectos a los que está sujeta la arcilla y que más afectan su caracterización es el
contacto que estos minerales puedan tener con el agua y debido a que las láminas
del material están unidas débilmente por una fuerza intermolecular la entrada de
agua se propicia altamente. La arcilla está compuesta por láminas de silicatos y
aluminios con espesores de alrededor de 1 nanómetro (Ghile 2006), por lo que los
resultados de la fabricación de las organoarcillas se consideran como parte del
área de estudio de la nanociencia.
Básicamente las organoarcillas consisten en arcillas modificadas mediante
intercambios de iones inorgánicos existentes en los espacios entre láminas del
material por iones orgánicos como lo muestra la Figura 1; así, mediante la
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modificación iónica, se logra una mejor interacción entre la arcilla y el material
orgánico en el que ésta se usa como modificador (polímeros o, asfalto en el caso
de interés para este estudio), ya que en principio la arcilla natural es altamente
hidrofílica (atrae agua) y organofóbica (repele a componentes orgánicos). Debido
al anterior efecto, sería difícil conseguir una buena interacción entre la arcilla
natural y el asfalto y por eso el mineral debe transformarse en un material
organofílico (compatible con componentes orgánicos) e hidrofóbico (repulsivo al
agua). De ello resulta la denominación científica de “organoarcilla”; el término
nanoarcilla ha sido empleado más para fines comerciales.
Figura 1. Transformación de arcilla natural en organoarcilla.
En su estado natural, el material arcilloso se encuentra químicamente neutralizado
por la presencia de los cationes inorgánicos (como el sodio Na+, calcio Ca++ y
potasio K+) entre los discos (láminas) que se encuentran cargados negativamente
y están compuestos por silicatos. Con la inserción de los cationes orgánicos entre
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las capas de arcilla se disminuye la atracción química existente entre las láminas
del material en su estado natural y así se incrementa la separación de éstas
últimas desde un d0 (3.5 Å = 3.5*10-10 m) hasta un d0’ (20 Å = 20*10-10 m) (Figura
1) (Perugachi y Paredes 2006).
Todo lo anterior debe realizarse en su totalidad a través de procedimientos
químicos que se denominan tratamientos físicos superficiales e involucran la
presencia de fuerzas impulsoras termodinámicas a través de las cuales se
insertan los cationes orgánicos. Estos cationes orgánicos se llaman surfactantes
orgánicos y su función es recubrir las láminas de la arcilla, para disminuir su
interacción química y poder lograr su separación. Uno de los surfactantes más
comunes utilizados para la modificación de arcillas naturales es el ácido
aminododecanoico (ADA). Todo el procedimiento de modificación se debe realizar
en medios acuosos, ya que la arcilla natural (por ser un material expansivo) se
hincha o expande cuando entra en contacto con el agua y es más práctica la
inserción del surfactante; así, las nuevas láminas se vuelven hidrofóbicas con la
modificación y en una solución acuosa se precipitan y se obtienen fácilmente las
nanoarcillas (Sikdar et al. 2006). El resultado de todo lo anterior son las
nanopartículas que se utilizan como modificador del material que se desea mejorar
(asfalto, polímeros, resinas, entre otros).
Una de las razones básicas por las que las organoarcillas (nanoarcillas) pueden
tener importantes aplicaciones en ingeniería de pavimentos es que éstas poseen
grandes áreas superficiales, por lo que su contacto con el asfalto es mejor y así se
garantiza en mejor medida la mejora en muchas propiedades de éste y de las
mezclas elaboradas con él. Los nanocompuestos formados por la nanoarcilla y el
asfalto (polímero u otros materiales en general) pueden conducir (según la eficacia
del tratamiento superficial) a la formación de estructuras de dos tipos: 1)
intercaladas y 2) exfoliadas. En el primer caso se tiene todo el proceso de
tratamiento superficial de la arcilla natural, pero las láminas no se separan
completamente sino que guardan un régimen paralelo entre algunas de ellas. A su
vez, las estructuras exfoliadas son aquellas en las que las láminas se separan
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completamente y se dispersan independientemente en el material al que van a
modificar; esto permite (debido al gran área superficial) un mejor contacto
superficial con el medio en el que se mezclan. A su vez, las estructuras
intercaladas no admiten el desarrollo del anterior efecto. La Figura 2 muestra
esquemáticamente la diferencia entre los dos tipos de compuestos asfalto-
nanoarcilla. Las arcillas naturales utilizadas como agente modificador en un asfalto
por ejemplo, producen la formación de estructuras intercaladas y no exfoliadas
debido a que el tratamiento superficial tiene como objetivo separar completamente
las láminas de arcilla y en el estado natural, estas láminas están bastante
adheridas (Yu et al. 2007).
Figura 2. Esquema de tipos de estructuras posibles en mezclas asfalto-nanoarcilla.
3.2 Ensayos de caracterización de las nanoarcillas
Los principales ensayos que se utilizan para la caracterización física de los
nanocompuestos obtenidos de la modificación de arcilla natural se desarrollan con
tres objetivos principales. El primero de ellos consiste en observar el cambio de la
distancia do a la distancia do’ mostrado en la Figura 1. Este se debe a que la
adición del material orgánico aumenta la distancia entre las láminas de la arcilla
hasta lograr separarlas completamente. Así, se puede determinar en qué medida,
el material que busca ser modificado, logra interactuar con el área superficial de
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las nanoarcillas. En segundo lugar, se busca determinar en forma adecuada el
porcentaje en peso de las nanoarcillas dentro de los compuestos que forman. Y
finalmente es importante observar la clase de material de origen orgánico que se
encuentra presente en las organoarcillas, esto para los casos que involucran el
uso de nanoarcillas comerciales y se quiera conocer su composición (Perugachi y
Paredes 2006). En síntesis, los principales análisis que se desarrollan para los
fines mencionados comprenden la difracción por rayos X (XRD), el análisis termo
gravimétrico (TGA) y la espectrometría infrarroja (FTIR).
3.2.1 Difracción de rayos X (XRD)
La difracción de rayos X permite identificar cualitativamente la composición de las
fases cristalinas de una cantidad de nanoarcilla. Esta técnica se utiliza
ampliamente para conocer el alineamiento de las láminas de arcilla y su
separación. En el caso de la modificación orgánica esta técnica permite observar
la diferencia entre dichas distancias antes y después del tratamiento superficial
(UPCT s.f.). El principio básico del ensayo consiste en enviar un rayo X (radiación
electromagnética) a través de la muestra y determinar la distancia entre las
diferentes ondas generadas por la difracción de las mismas. En el caso del
análisis de nanoarcillas, esta distancia corresponde a la separación entre las
láminas modificadas (organoarcillas) dispersas dentro de un material como el
asfalto, de modo que a mayores distancias entre las capas, se observarán
mayores picos en la gráfica resultante, tal como se observa en la Figura 3 (Snyder
2007). La calidad del tratamiento superficial guarda una relación directa con la
efectividad en la interacción de las nanopartículas y el material a modificar porque
si se logra una buena separación, se garantiza una mayor entrada y acomodación
de las moléculas de asfalto o polímero, según el caso.
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Figura 3. Gráfica Resultante de la Difracción por Rayos X sobre una muestra de un Nanocompuesto polimérico (Underhill 2009).
La difracción de rayos X se encuentra fundamentada en la deducción y aplicación
de la ley de Bragg que considera el efecto que tiene la radiación producida por la
inducción de los rayos y su difracción que es función de dicha radiación (Cullity
1967). La ley de Bragg expresa que la longitud de onda de los rayos X (λ), se
relaciona proporcionalmente con la distancia existente entre los planos de una red
cristalina (d) que se quiera analizar y el ángulo (θ) que forman los planos
generados por los rayos incidentes con los planos generados por la dispersión de
los mismos.
(1)
3.2.2 Análisis termo gravimétrico (TGA)
El análisis termo gravimétrico permite determinar el cambio en la masa de una
muestra y sus componentes en función de la temperatura del ensayo, la cual se
varía dentro de un rango dado. A pesar de que la temperatura no siempre implica
una variación en la masa de una muestra, pueden existir o propiciarse estados de
ella que hacen que cambios en la temperatura genere fenómenos como su
descomposición, evaporización, absorción, entre otros, que sí involucran cambios
de masa (UPCT s.f.). Este análisis sirve para determinar la proporción de
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componentes en masa que existen en los nanocompuestos, ya que cada
componente desarrolla un cambio de masa diferente en función de la temperatura
(e.g. su punto de llama es diferente) determinando así la proporción en peso
éstos. Por ejemplo, para el caso de las nanoarcillas es posible determinar el tipo
de surfactante orgánico presente y las propiedades de descomposición de éste.
3.2.3 Espectrometría infrarroja (FTIR)
La espectrometría infrarroja permite conocer la composición química de una
muestra. Por ello permite desarrollar análisis cualitativos y cuantitativos, ya que el
espectro permite diferenciar eficientemente los diferentes grupos o elementos
funcionales que tenga un compuesto. Es útil en la determinación de
composiciones químicas e interacción entre componentes de una muestra (UPCT
s.f.). Para el caso de las nanoarcillas, es de gran utilidad en cuanto a la
identificación de los enlaces que éstas forman con la matriz donde se encuentran
dispersas y eso representa el nivel de interacción que se alcanzó.
3.3 Aplicaciones de las nanoarcillas
Las nanoarcillas han tenido una aplicación industrial importante desde los años
50´s cuando se inició el desarrollo de arcillas modificadas con iones orgánicos
para ser utilizados como refuerzo de polímeros elastómeros (Perugachi y Paredes
2006). A lo largo del tiempo, los usos de las organoarcillas han venido creciendo y
han incluido nuevos campos de aplicación. Dentro del amplio número de usos que
tienen las nanoarcillas, el refuerzo de polímeros representa el principal nicho de
mercado que tienen las empresas productoras y comercializadoras de estos
materiales. Sin embargo, según algunos estudios e investigaciones, estos
materiales han resultado ser eficientes en la mejora de las condiciones de otros
procesos y materiales. A continuación, se presenta una breve recopilación de los
diferentes campos de la industria en los que el uso de las nanoarcillas ha cobrado
importancia.
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3.3.1 Refuerzo de polímeros
El principio básico considerado en el refuerzo de polímeros es lograr una buena
interacción entre éstos y las láminas de arcilla modificada orgánicamente. Por ello,
como se dijo en secciones anteriores, es muy importante lograr que dichas capas
resulten siendo organofílicas e hidrofóbicas. Así, cuando se obtienen las
nanoarcillas se busca que éstas se dispersen lo mejor posible dentro de la matriz
polimérica para que el material (polímero) se intercale adecuadamente entre las
capas del nanomaterial y lograr que el efecto de la modificación sea positivo, ya
que un mayor contacto de los dos materiales (polímero y nanoarcilla) aumenta la
función de las nanoarcillas en el refuerzo.
En general, se han desarrollado estudios de modificación en un amplio rango de
polímeros como los termoplásticos, elastómeros y termoestables. Sin embargo, los
procesos de modificación con nanoarcillas se ajustan a cualquier tipo de polímero,
ya que el principio básico puede lograrse con los adecuados procesos de
modificación de la arcilla. Con base en las investigaciones desarrolladas, se ha
encontrado que los polímeros modificados presentan, en términos generales,
mejoras en sus propiedades mecánicas y térmicas; ya que el comportamiento
mecánico de este tipo de materiales depende de forma importante de las
condiciones de temperatura a las que esté sometido (al igual que el asfalto). Estos
logros, junto con la relativa facilidad con que se pueden desarrollar los procesos
de producción de los nanocompuestos polímero-arcilla (PCN –polymer clay
nanocomposites), los hacen unos materiales innovadores y prometedores en
variadas aplicaciones industriales en las que tradicionalmente se utilizan los
polímeros originales; las ventajas y beneficios de estos materiales se presentan
más adelante. Adicionalmente, los costos potencialmente bajos que tienen estos
nanocompuestos y los bajos niveles de dosificación en que se utilizan en la
modificación (5% en peso o menos), los hacen también muy competitivos ante
otros tipos de materiales existentes en el mercado (Alexandre y Dubois 2000).
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Investigaciones sobre muestras de polímeros como fluoroelastómeros
(fluoropropileno y fluoroetileno) (Maiti, Mitra y Bhowmick 2008), espumas
sintácticas (Maharsia y Jerro 2007), resinas epóxicas (Khan et al. 2010),
polipropileno (Chen, Wong y Pisharath 2002) (Bhat et al. s.f.) y poliamidas
(Delozier et al. 2002), todos modificados con nanoarcillas, en los que se
estudiaron diversos fenómenos de cambio físico en el material y diversas
situaciones en las que se pueden utilizar polímeros, han arrojado resultados
satisfactorios en cuanto a las propiedades mecánicas de estos materiales.
Se observó que la adición de nanopartículas de arcilla a matrices de polímero
genera beneficios como el aumento de la energía de activación (energía necesaria
para propiciar el desarrollo de determinados fenómenos en materiales), la
disminución en la aparición de grietas y el retraso en su crecimiento y por
consiguiente una mejor resistencia a la tensión, una mayor tolerancia al daño por
fractura y mayor dureza, un aumento en las deformaciones a la falla y mayores
límites de fluencia del material, la extensión en la vida de fatiga del polímero (en
los mejores casos entre 70 y 75% más) y un aumento en los valores de módulo de
tensión ó “módulo tensile” (parámetro tradicional en la caracterización de
polímeros).
Sin embargo, se ha encontrado que es necesario el estudio de la susceptibilidad
de la nanoarcilla principalmente a los cambios térmicos, dado que la variedad de
procesos de fabricación de nanocompuestos poliméricos (PCN) involucran
métodos con cambios de temperatura. Esa susceptibilidad puede limitar el
mejoramiento de las propiedades mencionadas antes (Delozier et al. 2002). A
pesar de esto, se ha observado que el nivel de dispersión que alcanzan las
nanopartículas de arcilla es tan bueno que se puede afirmar con confianza, que es
posible preparar productos de origen polimérico reforzados con organoarcillas.
3.3.2 Otros campos de aplicación
Además del refuerzo de polímeros, el uso de las nanoarcillas ha sido
implementado en otros campos del conocimiento. Estos involucran principalmente
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aspectos medioambientales que involucran el aumento en la eficiencia de algunos
procesos industriales desarrollados a diario en beneficio de los seres humanos.
Se han desarrollado estudios que involucran organoarcillas modificadas con
diversas clases de surfactantes orgánicos (agente modificador de la arcilla
natural), y éstos han arrojado resultados beneficiosos en términos de remoción de
aceites, grasas y metales pesados de diferentes componentes del medio ambiente
como el aire, el agua y los depósitos de suelos.
En primer lugar, se ha observado que la adición de montmorillonitas como la
bentonita y modificadas con amonio cuaternario, aumentan la tasa de remoción de
aceites y grasas, comparado con los componentes y procedimientos utilizados
tradicionalmente en alrededor de 5 a 7 veces. La implementación de las
nanoarcillas involucra el ahorro en ciertas técnicas de purificación, que si no se
desarrollan adecuadamente, reducen la eficiencia de los procesos de remoción.
Un caso es el carbón activado que es susceptible al taponamiento de sus poros
ocasionado por partículas de grasa o aceites; así, el tratamiento que se le da al
agua con nanoarcillas antes del carbón activado reduce costos de procesos en un
50% o más. De igual manera, se ha observado una gran influencia por parte de las
organoarcillas en cuanto a la adsorción de componentes orgánicos contaminantes,
proceso que se ve altamente influenciado según varía el tipo de modificador que
se utiliza en la arcilla natural pero que, de igual forma lo mejora (Lee et al. 2004)
(Alther 1995).
Adicional a esto, se ha encontrado que las nanoarcillas son bastante eficientes a
la hora de remover metales pesados de diferentes medios naturales como el agua
y el aire, que se ven grandemente afectados por los residuos de diferentes
actividades como la agricultura y diversos procesos industriales. Metales como el
plomo y el mercurio han sido utilizados en estudios de descontaminación de suelo
y purificación de agua. Aunque estos procesos mejoran conforme la acción del
agente modificador de la arcilla es más efectiva, en general se ha determinado
que las nanopartículas aumentan de manera importante los porcentajes y tasas de
adsorción de metales (Cruz-Guzmán et al. 2006). Esto se debe a la gran
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compatibilidad orgánica que adquiere la montmorillonita cuando se modifica con
agentes orgánicos.
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4 Modificación de ligantes asfálticos
4.1 Ensayos de caracterización de nanocompuestos asfálticos
Así como en el caso de los nanocompuestos poliméricos se realizan ensayos para
determinar la morfología y la susceptibilidad térmica de éstos bajo diferentes
condiciones, en el caso de los nanocompuestos asfálticos también es necesario
realizar estos ensayos con varios objetivos. En primer lugar es muy importante
conocer el nivel de dispersión que alcanzan las nanopartículas de arcilla dentro de
la matriz asfáltica y poder asociar éste factor a los resultados que se obtienen de
la caracterización reológica de los ligantes asfálticos modificados. En segundo
lugar, se puede estudiar la forma en que los cambios térmicos afectan los
nanocompuestos asfálticos, dado que la respuesta mecánica y el desempeño del
ligante original, al ser un material visco elástico, dependen naturalmente y de
forma directa de los niveles de temperatura a los que está sometido. Así, se puede
determinar la forma en que estos cambios afectan las reacciones químicas entre
los componentes de la arcilla, los modificadores de éstas y los componentes del
asfalto. En algunos casos en los que se utiliza arcilla natural como modificador de
ligantes o mezclas asfálticas, estos ensayos aplicados a los nanocompuestos
asfálticos permiten determinar la presencia de agua en las muestras y así prever
cómo esta puede afectar el proceso de modificación.
En general, se ha observado que los principales ensayos que sirven para
determinar todos los anteriores factores en nanocompuestos asfálticos se pueden
resumir en: la difracción de rayos X (XRD) y el análisis termo gravimétrico (TGA),
junto con análisis derivados de éste y basados en principios similares al TGA.
Estos ensayos fueron descritos en el capítulo 3, donde se presentaron los
principales ensayos de caracterización de nanocompuestos a base de arcilla y
otros materiales.
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20
4.2 Caracterización empírica en ligantes asfálticos
Los ligantes asfálticos se han caracterizado tradicionalmente mediante ensayos
sencillos, de corta duración y de bajo costo. Por estas razones se ha fortalecido la
tendencia a seguir empleando estos ensayos que no tienen fundamentos
mecánicos ni consideran propiedades físicas de los materiales. Todos los
procedimientos empíricos que existen para determinar ciertas propiedades no
mecánicas de los ligantes asfálticos constituyen índices que relacionan en cierta
forma algunas características de ellos y dan una medida de la calidad de su
comportamiento ante solicitaciones o condiciones de trabajo específicas.
Las pruebas más comunes de caracterización de ligantes asfálticos (tanto
modificados como sin modificar) encontrados en esta revisión bibliográfica
comprenden los ensayos de penetración, punto de ablandamiento y ductilidad.
Ellos constituyen los índices más comunes dentro del campo de la ingeniería de
pavimentos en términos de caracterización de ligantes asfálticos.
4.2.1 Ensayo de penetración
Este ensayo consiste básicamente en determinar la distancia vertical que una
aguja estándar penetra una muestra de asfalto. Este índice da una idea de la
consistencia o dureza que el asfalto de prueba tiene bajo unas condiciones de
carga y temperatura dadas. El ensayo se realiza a 25°C como temperatura
estándar y el peso de la aguja junto con un vástago que ella sostiene es de
aproximadamente 100 g, tal como se muestra en la Figura 4. Los resultados del
test se miden en décimas de milímetro y se expresan en rangos dentro de los que
puede resultar la penetración a la temperatura del ensayo (e.g. una penetración
60/70 corresponde a un valor que puede oscilar entre 60 1/10 mm y 70 1/10 mm –
décimas de milímetro). Para mayor detalle de éste ensayo, se recomienda
referirse a la norma ASTM D5.
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21
Figura 4. Esquema del Ensayo de Penetración (UCN 2011).
4.2.2 Ensayo de punto de ablandamiento
Este ensayo busca determinar la temperatura a la que el asfalto alcanza un estado
de fluidez, es decir que su comportamiento tienen a parecerse al de un líquido.
Para ello, se debe calentar el asfalto hasta que se logre esta apariencia física del
material y medir su temperatura en ese momento. En términos generales, la
prueba consiste en llenar con asfalto unos anillos metálicos, dejarlos enfriar y
ubicar una bola en el centro del anillo. Posteriormente se sumerge el anillo con la
bola y el asfalto en un baño de agua, calentando el recipiente. Finalmente se
registra la temperatura a la que la bola atraviesa la muestra de asfalto y cae al
fondo del recipiente. Ésta temperatura se denomina el punto de ablandamiento del
material. Para una descripción en más detalle, se recomienda dirigirse a la norma
técnica ASTM D36.
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4.2.3 Ensayo de ductilidad
En esta prueba el objetivo es determinar la capacidad de deformación que tiene el
asfalto a las condiciones estándar del ensayo; la temperatura a la que se lleva a
cabo el ensayo está alrededor de los 25°C. Consiste básicamente en estirar una
muestra de asfalto a la temperatura de ensayo y a una velocidad constante hasta
que el hilo que une los dos extremos de la muestra se rompa. La prueba se
desarrolla con la muestra sumergida en agua y el resultado corresponde a la
longitud en centímetros que separa los extremos de la muestra como la que se
muestra en la Figura 5. Esta longitud se denomina la ductilidad del asfalto. La
norma técnica ASTM D113-86 especifica los detalles del procedimiento del
ensayo.
Figura 5. Esquema del ensayo de Ductilidad (UCN 2011).
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23
4.2.4 Viscosidad
Aunque la viscosidad de un material no constituye un índice de alguna propiedad
física, sino que es propiamente una propiedad fundamental física de él, su
determinación tampoco constituye un parámetro de caracterización mecánica del
asfalto. Por esa razón se incluye como parte de la caracterización empírica. El
método Brookfield para determinar la viscosidad de un ligante asfáltico se basa en
la medición de la magnitud de un momento torsor que debe aplicarse a un
elemento que se encuentra inmerso en el material. Éste momento torsor es
proporcional a la resistencia viscosa y por tanto proporcional a la viscosidad del
asfalto. El material a ensayar debe mantenerse a una temperatura estándar de
ensayo, por lo que se debe sumergir en un baño para garantizar esta condición
durante el desarrollo de la prueba. La norma ASTM D4402 ofrece una descripción
más detallada del procedimiento de éste.
4.3 Caracterización fundamental en ligantes asfálticos
La caracterización reológica fundamental en ligantes asfálticos se realiza mediante
el ensayo en el reómetro de corte dinámico (DSR) como el que se muestra en la
Figura 6. Esta prueba hace parte del conjunto de ensayos que conforman el
método de clasificación de asfaltos SUPERPAVE. La función del instrumento
consiste en determinar el comportamiento mecánico elástico y viscoso de una
muestra de asfalto ante diferentes condiciones de frecuencia y temperatura.
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24
Figura 6. Reómetro de Corte Dinámico (DSR) (Muench 2011)
El ensayo básicamente consiste en ubicar una muestra de asfalto entre dos platos
uno de los cuales está fijo (inferior) y el otro (superior) oscila para generar un
torque en la muestra y someterla a esfuerzos cortantes. El instrumento está
controlado por software para garantizar la exactitud y precisión de los resultados
arrojados y las condiciones necesarias de frecuencia y temperatura que ofrecen
una mejor caracterización (Muench 2011). Finalmente, el reómetro arroja
parámetros fundamentales de caracterización del material, como el módulo
complejo (G*), que es una medida de la resistencia del material a determinado
nivel de deformación bajo carga cíclica cortante (o axial, E*), y el ángulo de fase
(δ) que es el ángulo de diferencia o desfase que existe entre la señal de entrada
(e.g. determinado nivel de esfuerzo) aplicada a una muestra y su señal de salida
(e.g. un nivel de deformación resultante), que junto con el módulo de Poisson (ν)
caracterizan completamente un material visco elástico. La norma AASHTO T 315
describe en mejor detalle el procedimiento y condiciones estándar para el ensayo.
A diferencia de los ensayos presentados en la sección anterior, ésta prueba sí
caracteriza fundamentalmente el material, ya que arroja valores que son
representativos de la resistencia mecánica del material y que dan una idea del
estado del asfalto (más líquido o más sólido) bajo diferentes condiciones de
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25
frecuencia y temperatura. Con estos parámetros básicos se pueden determinar
otras propiedades relativas a la resistencia del material como los módulos de
almacenamiento G’ (ó elástico) y pérdida G’’ (ó viscoso). De la Figura 7 se pueden
determinar algunas relaciones para estos parámetros que representan los
comportamientos elástico y viscoso, respectivamente, con base en los valores de
módulo complejo y ángulo de fase (¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia. y ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).
(2)
(3)
Figura 7. Parámetros fundamentales de caracterización en un material visco elástico en el dominio de la frecuencia
Como parte complementaria del proceso de caracterización mediante el ensayo
DSR, se pueden elaborar unas curvas de gran utilidad para este fin, las cuales
identifican globalmente el comportamiento del material bajo un amplio rango de
condiciones de temperatura y frecuencia y se fundamentan en el principio básico
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26
de superposición tiempo-temperatura; esas curvas se denominan curvas maestras
del material y reúnen todos los posibles resultados para G* o δ a determinada
temperatura o frecuencia, teniendo en cuenta una temperatura de referencia y los
valores del rango de frecuencia dentro de los que se desarrolló el ensayo. Así, se
pueden conocer éstos parámetros fundamentales en situaciones diferentes a las
que estuvo sometida la muestra en el reómetro. Existen diferentes modelos para el
ajuste de parámetros utilizados en la elaboración de las curvas maestras, como
las ecuaciones de Arrhenius y Williams, Landel y Ferry (WLF) (Kim 2008).
Resultados típicos de asfaltos modificados mediante esta tecnología empleando
los ensayos descritos en las secciones 4.2 y 4.3 serán presentados más adelante
en este documento.
4.4 Proceso de modificación del ligante con nanoarcilla
Antes de describir la metodología utilizada para agregar las nanoarcillas al ligante
original, debe quedar claro que en términos generales el proceso de modificación
se realiza por vía húmeda, es decir que cuando se elaboran mezclas asfálticas
modificadas con nanoarcilla, primero se lleva a cabo la modificación del ligante y
luego sí se elabora la mezcla asfáltica con el ligante ya modificado.
En general, para modificar los ligantes asfálticos con organoarcillas, se utilizan
agitadores de bajo y alto corte. Los primeros inician el proceso de mezclado del
ligante y las nanopartículas. Sin embargo, el uso de los segundos se hace
necesario con el fin de garantizar un adecuado nivel de dispersión del modificador
en la matriz asfáltica. Estos instrumentos permiten la elaboración del
nanocompuesto asfáltico a un promedio de 4000 revoluciones por minuto durante
tiempos de mezclado aproximados de 1.5 horas. Sin embargo, cabe aclarar que
dependiendo de la velocidad se puede aumentar o disminuir el tiempo de
mezclado, siempre que se garantice un adecuado nivel de dispersión, el cual se
controla mediante los análisis microscópicos de los nanocompuestos, una vez se
han elaborado.
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27
4.5 Efectos de la modificación en la caracterización de ligantes
asfálticos
4.5.1 Difracción de rayos X y análisis térmico de los nanocompuestos asfálticos
Como se mostró en el capítulo 3, existen varios ensayos de caracterización de
diferentes nanocompuestos; en el caso de los nanocompuestos asfálticos se
encontró que los más comunes son la difracción de rayos X y el análisis termo
gravimétrico. La finalidad de ellos es conocer la microestructura de los
nanocompuestos y clasificarlos según el tipo de organización que se observe.
En primer lugar, el ensayo de difracción de rayos X busca determinar el nivel de
dispersión en el ligante asfáltico y permite identificar una estructura intercalada o
una estructura exfoliada. En varios de los estudios encontrados en la revisión
literaria, algunos investigadores realizaron comparaciones entre los resultados que
se obtienen al modificar asfaltos con arcillas sódicas o cálcicas (inorgánicas) frente
a los que se tienen cuando la modificación se hace con organoarcillas (objetivo de
este trabajo). Es de esperar que, al no tener tratamiento superficial, las arcillas
naturales no logren dispersarse adecuadamente dentro de la matriz asfáltica, ya
que en esta situación el material aún es altamente hidrofílico, por lo que no tiene
una buena interacción con el bitumen.
En casos en los que se observó la organización microscópica de las muestras de
asfalto modificadas con bentonita -montmorillonita cálcica- (Zare-Shahabadi,
Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010), (Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad
2010) y montmorillonita sódica (Yu et al. 2007), junto con las organoarcillas
obtenidas mediante el tratamiento superficial de ambas montmorillonitas, se
obtuvo que los nanocompuestos asfálticos que contenían arcilla natural formaban
estructuras intercaladas, mientras que los compuestos de organoarcilla conducían
a la formación de estructuras exfoliadas y dispersas de mejor forma en el ligante
asfáltico que las anteriores, como se observa en el esquema de la Figura 2. En
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28
general, el criterio para determinar cuándo una estructura se clasifica como
intercalada o como exfoliada es que al observar la gráfica resultante del análisis
con rayos X se tienen diferentes tipos de curvas con picos observables y otras en
los que éstos no aparecen. Las curvas de los nanocompuestos en los que hay
picos corresponden a nanocompuestos que forman estructuras intercaladas,
mientras que las curvas que son más suaves representan nanocompuestos que
forman estructuras exfoliadas.
Figura 8. Curvas resultantes de la difracción de rayos X en nanocompuestos asfálticos (Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010).
Como se observa en la Figura 8, de las dos curvas señaladas con círculos, la
curva superior tiene un pico representativo en 2θ = 4.5° aproximadamente, por lo
que es conveniente pensar que la estructura es intercalada. A su vez la curva
inferior es más suave y no presenta ningún pico; sin embargo como se observa en
la misma figura, el valor de intensidad aumenta conforme 2θ decrece, lo cual es
común en estructuras exfoliadas como la curva correspondiente el título
“Asphalt+OBT” (OBT = bentonita modificada orgánicamente).
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29
En términos generales, se espera que cuando se agrega nanoarcilla a una
muestra de asfalto se formen estructuras exfoliadas y éstas garanticen en mayor
medida la inserción de asfalto en el espacio de galería (“gallery space”) de las
láminas de arcilla (ver Figura 9), recubriéndolas mejor e interactuando más con
ellas (más área superficial, mayor contacto) (Yu et al. 2007), (Ghaffarpour Jahromi
y Khodaii 2009). Sin embargo algunos investigadores han obtenido estructuras
intercaladas en muestras de asfalto modificado con organoarcillas (G. Liu et al.
2009) (G. Liu et al. 2010) (Wu, Wang y Jiesheng s.f.) (You et al. 2011). Esto puede
deberse a que en estos últimos casos no se desarrolló un proceso de tratamiento
superficial suficientemente bueno en la arcilla natural, lo cual produce que las
láminas no se separen suficientemente y el asfalto no pueda introducirse
adecuadamente en la galería de la arcilla y, al llevarse a cabo el análisis por rayos
X, se presentan los picos de los que se habló anteriormente. Así, teniendo en
cuenta la ecuación de Bragg (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.) y
que los picos de las curvas se generan a valores de 2θ muy cercanos a cero, los
valores de “d” de la ecuación son grandes. Así, al revisar nuevamente la Figura 8
se observa que las estructuras exfoliadas corresponden a valores de “d” más
grandes que los correspondientes a las estructuras intercaladas (es importante
recordar que en las exfoliadas las láminas están completamente separadas y en
las intercaladas no) en las que los picos se observan a valores de (Figura 8) 2θ
mayores, lo que conduce a espacios entre capas menores (d más pequeños).
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30
Figura 9. Resultado de difracción por rayos X en nanocompuestos con estructuras exfoliadas (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009).
También se ha encontrado que los casos en los que la difracción de rayos X arrojó
resultados correspondientes a estructuras intercaladas, las organoarcillas fueron
suministradas por una industria poco común (con base en los productores
encontrados en los demás estudios). Por ello se debería analizar con cuidado el
tratamiento que se da a la arcilla natural, para determinar procedimientos
adicionales que permitan lograr la exfoliación de las nanoarcillas y las curvas para
estructuras exfoliadas como las de la Figura 9.
Por otro lado se encontró, con base en el análisis termo gravimétrico (TGA), que
en algunas nanoarcillas había presencia de agua. Debido a la polaridad del agua,
la interacción química entre el asfalto y la organoarcilla se ve afectada
negativamente, por lo que es necesario someter a esta última a un proceso de
secado antes de elaborar el nanocompuesto asfáltico. Como se explicó en el
capítulo 3, el ensayo determina el proceso de pérdida y cambio de masa en los
diferentes componentes del material analizado; con lo cual fue posible identificarla
presencia de agua dentro de la nanoarcilla. De igual forma, se observó el proceso
que sufre el surfactante orgánico (agente modificador de la arcilla natural) y la
nanoarcilla completa. Estas observaciones arrojaron temperaturas de
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31
descomposición en ambos casos bastante altas (alrededor de los 300°C) y muy
superiores a las temperaturas a las que el agente orgánico, y por consiguiente la
nanoarcilla completa, están sometidos cuando se juntan con el ligante en su etapa
de mezclado (150°C, aproximadamente) para elaborar el nanocompuesto asfáltico
(Liu et al. 2009 y 2010).
4.5.2 Caracterización empírica
Como se mencionó previamente, los ensayos de caracterización empíricos más
comunes para ligantes asfálticos son los ensayos de penetración, punto de
ablandamiento, ductilidad y viscosidad mediante el viscosímetro Brookfield. Estos
ensayos han sido aplicados a muestras de ligantes asfálticos identificados
mediante los procesos de clasificación tradicional, como la clasificación por
penetración; así, los asfaltos modificados más utilizados han sido ligantes 70/100,
60/70 y 40/60 (1/10 mm), donde el primero de ellos es el más blando y el último el
más duro. Estos asfaltos han sido modificados con diferentes tipos de nanoarcillas
producidas comercialmente y en algunos casos elaboradas dentro de los mismos
estudios.
En primer lugar, el ensayo de penetración ha revelado que la modificación tiene
principal influencia en los asfaltos más duros, ya que en los asfaltos más blandos
no se observaron cambios significativos en los valores de penetración (cambios
inferiores al 3%) (Ghile 2006). En los asfaltos más duros (60/70, 40/60) se
observaron disminuciones en los valores de penetración de entre el 15 y 30%,
según el contenido de modificador utilizado, el cual oscila entre el 2 y el 8% en
peso de ligante (Ghile 2006, Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Van de Ven,
Molenaar y Besamusca 2009, Andalibizade y Vossough 2010).
Cabe aclarar que los asfaltos en los que se observó una influencia positiva, fueron
modificados con un tipo de nanoarcilla comercial denominada Cloisite® 15A y los
otros con una diferente llamada Nanofil® 15. Con base en la información
disponible por parte del productor de estos materiales, se observó que la primera
de ellas tiene un espacio entre láminas (d001 = 31.5 Å) mayor que la segunda (d001
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32
= 28 Å) (SCP 2006); gracias a ello lo cual es posible confirmar que la organoarcilla
Cloisite® 15A es más eficiente que la otra debido a que los resultados empíricos
encontrados para la nanoarcilla Cloisite® 15A comprenden menores registros de
penetración y mayores puntos de ablandamiento.
De igual forma que en el ensayo de penetración, la prueba de punto de
ablandamiento arrojó resultados efectivos para la nanoarcilla Cloisite® 15A,
mientras que Nanofil® 15 no presenta igual influencia en el asfalto. La
modificación en el primer caso presentó aumentos en este índice de alrededor de
un 15% más, mientras que en el segundo caso sólo se presentan cambios
menores al 4%. La razón por la que uno de los dos materiales funciona de forma
más efectiva es la misma que en el caso del ensayo anterior. En casos diferentes
donde se utilizó arcilla natural como agente modificador y nanoarcilla se pudo
observar que cuando se agrega la primera al ligante, se aumentan las
temperaturas de ablandamiento en cierta medida en el ensayo, mientras que
cuando se utiliza la organoarcilla el punto de ablandamiento mejora
sustancialmente. Esto por la exfoliación que presentan estas últimas en los
nanocompuestos asfálticos (Ghile 2006, Yu et al. 2007, Ghaffarpour Jahromi y
Khodaii 2009, Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010).
En términos del índice de ductilidad se observó que con la adición tanto de arcilla
sin modificar como modificada con agentes orgánicos, el ensayo resulta en
menores valores de este parámetro. Esto sucede debido a que la arcilla posee una
fase frágil sólida la cual, junto a la fase dúctil viscoelástica del asfalto, disminuyen
la capacidad del asfalto para deformarse antes de romperse. En ambos casos
(arcilla original y nanoarcilla) se observa la misma situación; sin embargo, cuando
se agrega montmorillonita original, se obtiene una mayor disminución en la
ductilidad del asfalto que en el caso de las nanoarcillas (Yu et al. 2007,
Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-
Nejad 2010). Esto se debe a que las estructuras exfoliadas formadas por los
compuestos asfalto-nanoarcilla no facilitan el desplazamiento de las moléculas de
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33
bitumen, mientras que en las estructuras intercaladas si se propicia éste
movimiento.
Sumado a los índices asociados a las propiedades de penetración, ablandamiento
y ductilidad, los investigadores han considerado el efecto que tiene la modificación
de nanoarcillas en la propiedad física correspondiente a la viscosidad del material.
Como se explicó en la sección 4.2.4, ésta propiedad está directamente
relacionada con la capacidad de flujo que tiene el material cuando se somete a
niveles altos de temperatura (comportamiento líquido). Para entender la lógica de
la modificación, se puede pensar en ésta propiedad como el inverso del índice
expuesto antes y que representa la ductilidad del asfalto. Así como en ese caso el
valor de ese parámetro disminuye por la exfoliación de las nanopartículas en la
matriz de asfalto, en este caso, y por la misma razón, se disminuye la capacidad
de fluir del material, debido al impedimento en el movimiento que las láminas de
nanoarcilla generan (Liu et al. 2009, Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad
2010). De igual forma, cuando se agrega arcilla natural, estas láminas también
aumentan la resistencia viscosa pero no en el mismo nivel que las organoarcillas
(estructuras intercaladas implican menor contacto e interacción de las láminas con
el asfalto). Se ha encontrado que existe un contenido óptimo de nanoarcilla a partir
del cual no se obtienen aumentos tan significativos en la viscosidad del asfalto;
éste se encuentra entre el 4 y 5% en peso de ligante (Yu et al. 2007).
4.5.3 Caracterización fundamental
El ensayo DSR se ha aplicado a diferentes tipos de asfaltos, que han sido
modificados con diferentes tipos de nanoarcilla. Como se ha dicho antes, el
objetivo de este ensayo es conocer los parámetros fundamentales de
caracterización mecánica del material, como el módulo G* y el ángulo de fase δ.
Ghile (2006), Ghaffarpour Jahromi y Khodaii (2009), Zare-Shahabadi, Shokuhfar y
Ebrahimi-Nejad (2010) y Yu et al. (2007) desarrollaron estudios sobre asfaltos
clasificados con grados de penetración 70/100, 60/70 y 40/60, los cuales han sido
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34
modificados con diferentes tipos de nanoarcillas comerciales de las cuales las más
comunes son Cloisite® 15A y Nanofil® 15.
En términos generales se ha observado que los principales efectos que estos
modificadores tienen sobre los parámetros fundamentales son aumentos
significativos en el módulo del material y una paralela disminución del ángulo de
fase. En la mayoría de estudios, el ensayo de DSR ha arrojado que a medida que
se incrementa el contenido de modificador, los aumentos en G* son mayores y las
disminuciones en δ también mejoran, como se observa en las Figura 10 y Figura
11. Este estudio (Yu et al. 2007) mostró la diferencia en los resultados que existe
entre la modificación con nanoarcilla y la que se realiza con arcilla natural en un
asfalto 60/70. Como era de esperarse, la montmorillonita modificada
orgánicamente presentó mejores efectos en el asfalto en términos de módulo y
ángulo de fase. Eso se debe principalmente al mejor nivel de dispersión que
alcanza la nanoarcilla en el asfalto al formar las estructuras exfoliadas de las que
se ha hablado en secciones anteriores. En casos muy exitosos se ha logrado
aumentar G* un 50% y disminuir δ en un casi 100%, duplicando el porcentaje de
nanoarcilla de 3 a 6% (los aumentos se obtuvieron con respecto a los valores de
G* y δ para 3% de nanoarcilla).
Con base en los resultados obtenidos mediante la construcción de curvas
maestras para G* y δ como se muestra en la Figura 12 y Figura 13, se ha
encontrado que la modificación de los ligantes asfálticos con nanoarcillas se
vuelve más eficiente, conforme los niveles de frecuencia utilizados en los ensayos
disminuyen, ya que funciona bien para rangos medios y bajos de frecuencia: 10-4 a
1000 Hz (mayores tiempos de aplicación de carga de tráfico, donde la nanoarcilla
cumple un rol importante). En consecuencia, dentro de rangos altos de frecuencia
(menores tiempos de aplicación de carga de tráfico, donde la nanoarcilla juega un
menor rol), se ha observado que los cambios tanto en los valores de módulo
complejo como en los de ángulo de fase no son significativos (You et al. 2011).
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35
Figura 10. G* vs. Temperatura en asfaltos modificados con Organoarcilla (Yu et al. 2007)
Figura 11. δ vs. Temperatura en asfaltos modificados con Organoarcilla (Yu et al. 2007)
Observando los diferentes tipos de materiales utilizados como modificadores de
los ligantes asfálticos, se ha determinado que existen productos más eficientes a
la hora de mejorar las propiedades de estos materiales. Por ejemplo,
considerando los dos tipos de materiales mencionados en esta sección, se
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36
determinó que Cloisite® 15A tiene efectos más positivos que Nanofil® 15 a la hora
de mejorar la resistencia y rigidez de los ligantes asfálticos modificados con ella.
Figura 12. Curva Maestra para G* en ligante asfáltico modificado con Nanoarcilla (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009)
Figura 13. Curva Maestra para δ en ligante asfáltico modificado con Nanoarcilla (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009)
4.5.4 Daño por fatiga
La fatiga es un proceso de deterioro típico que ocurre en muchos de los materiales
que se utilizan en la construcción. Este fenómeno se presenta en materiales
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37
cementados y que soportan esfuerzos de tensión bajo solicitaciones de carga. En
el caso de los pavimentos, la fatiga es un daño característico que se presenta
hacia el final de la vida útil en las capas asfálticas y es causado principalmente por
el paso repetido de vehículos, que genera esfuerzos de tensión en la base de las
capas. Repetidas solicitaciones de carga de este tipo, generan grietas por tensión,
que son el indicio del fenómeno de fatiga en los materiales.
Con base en el análisis fundamental que se hace a los materiales viscoelásticos,
es posible pensar que bajos valores del ángulo de fase (cercanos a 0°) son
beneficiosos para controlar este fenómeno, ya que la componente elástica o de
recuperación del material es mayor. A su vez, el módulo debe controlarse, ya que
cuando se tienen muy altos valores de éste, el material se vuelve muy frágil y por
lo tanto susceptible al daño por fatiga, debido a la fragilidad que adquiere bajo esa
condición. De acuerdo con la metodología de clasificación de asfaltos Superpave,
el parámetro G*(Sen (δ)) es útil para caracterizar la fatiga. Este parámetro debe
limitarse a un valor máximo con el objetivo de controlar la susceptibilidad al daño
del material. El desarrollo de agrietamiento por fatiga es más probable en
condiciones de bajas temperaturas, ya que el módulo complejo del material
aumenta con la temperatura y el crecimiento de éste parámetro afecta
negativamente el fenómeno en cuestión.
Guile (2006) encontró que el parámetro mencionado es entre un 20 y un 40%
mayor para el caso de los ligantes modificados con nanoarcilla, comparado con el
valor del parámetro para los ligantes originales. Estos resultados fueron
observados en rangos bajos de temperatura, lo cual indica que la modificación en
lugar de mejorar, disminuye la resistencia a fatiga del material, como se observa
en la Figura 14, en la que es claro que el material con el valor más bajo de G*Sen
(δ) es el ligante sin modificar. Esto refleja un efecto negativo de la modificación en
el material (Ghile 2006).
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38
Figura 14. G* (sen δ) vs. Temperatura en ligantes asfálticos modificados con nanoarcilla (Ghile 2006)
A su vez, Wu, Wang y Jiesheng encontraron que la modificación con nanoarcilla
en un ligante asfáltico aumentó el número de ciclos a la falla por fatiga. En este
estudio, utilizaron el ajuste dado por la siguiente ecuación:
(4)
donde:
Nf es el número de ciclos a la falla del material.
es el esfuerzo cortante sometido al material.
K y n son factores propios del material.
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39
Figura 15. Vida de fatiga para asfaltos modificados con nanoarcilla (en las ordenadas, el número de repeticiones de carga y en las abscisas la condición de esfuerzos, ) (Wu, Wang y Jiesheng s.f.)
Según Wu (s.f.), n representa la susceptibilidad del material al esfuerzo cortante,
por lo que menores valores de ese parámetro involucran una mejor resistencia a la
fatiga del material. Los resultados del estudio arrojaron que la muestra de asfalto
modificado con nanoarcilla tenía un menor valor para n comparado con el
encontrado para el ligante original (Ver Figura 15). De ésta manera, el asfalto
modificado exhibió una menor susceptibilidad a este tipo de daño. Esto pudo
deberse al uso de alguna nanoarcilla de propiedades diferentes; sin embargo,
estas no fueron especificadas en el estudio.
Con base en los estudios descritos se puede concluir que existen resultados
mixtos con respecto al efecto que genera la modificación con nanoarcilla en los
ligantes asfálticos. Sin embargo es de esperar que, según los análisis
fundamentales del material, la influencia de la modificación con respecto al daño
por fatiga no sea tan buena, debido a los fuertes incrementos observados en el
módulo del material (Wu, Wang y Jiesheng s.f.).
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40
4.5.5 Daño por deformaciones permanentes (ahuellamiento)
Este tipo de daño, relacionado con la presencia de deformaciones permanentes,
es bastante común en las estructuras de pavimento asfáltico y debe controlarse
desde la etapa del diseño de la mezcla asfáltica. Por esta razón, es de gran
importancia que en sí el sólo ligante ofrezca una buena resistencia al desarrollo de
deformaciones permanentes debido a la componente viscosa que presenta este
tipo de materiales (viscoelásticos). En general el daño se propicia cuando la
temperatura a la que se somete el material se encuentra dentro de rangos altos
(más de 40 o 50°C) y/o cuando se aplican bajas frecuencias de carga. Una forma
tradicional de controlar el fenómeno de ahuellamiento es analizando los valores de
G* y δ obtenidos del ensayo de DSR en rangos superiores de temperaturas.
Debido a que el módulo del material es representativo de la resistencia de éste y
el ángulo de fase determina la magnitud de las componentes elástica y viscosa del
material, es lógico pensar que para prevenir la aparición de deformaciones
permanentes es conveniente tener altos valores de G* y valores de δ cercanos a
cero; este último caso garantiza que la componente elástica del asfalto es mayor
que la viscosa manteniendo la capacidad de recuperación del material y por ende
disminuyendo la susceptibilidad a la deformación permanente. De esta manera el
parámetro G* / Sen (δ) resulta ser un valor adecuado para controlar el
ahuellamiento, teniendo como referencia el valor de 1 KPa como el mínimo de
control (Yu et al. 2007).
Estudios realizados en varios tipos de asfalto han mostrado que la adición de
nanoarcillas aumenta el valor del parámetro entre 2 y 3 veces con respecto al
valor del mismo obtenido para los ligantes utilizados como base, tal como se
muestra en la Figura 16. Comparando el efecto que tienen las organoarcillas con
las arcillas naturales sobre el control de la aparición de deformaciones
permanentes en el asfalto, se observó que las primeras generan un efecto un 30%
más positivo que las segundas. Adicionalmente, se ha considerado la temperatura
a la que el ligante original alcanza un valor para G* / Sen (δ) = 1 KPa para
determinar la temperatura a la que el mismo ligante, modificado con nanoarcilla,
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41
alcanza éste mismo valor en el parámetro. Estos análisis han arrojado que las
temperaturas bajo esta condición son entre un 4 y un 5% mayor que la
temperatura necesaria para el ligante original (Ghile 2006, Yu et al. 2007, Zare-
Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010).
Figura 16. Curvas de G*/Sen (δ) vs. Temperatura (Zare-Shahabadi, Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010)
En general, se ha observado que nanoarcillas con separaciones entre láminas
más grandes, generan mejores efectos en el control del ahuellamiento (Yu et al.
2007).
4.5.6 Envejecimiento
Otro factor importante que se debe controlar en la vida útil del asfalto es su
envejecimiento. Existen dos mecanismos en los que el envejecimiento se
desarrolla en mezclas asfálticas en servicio. El primero de ellos corresponde a un
envejecimiento inicial que ocurre cuando la mezcla es fabricada, transportada y
colocada en campo; este se debe a la pérdida de aceites que sufre el material
debido a las altas temperaturas de trabajo a las que está sometido y al alto
contacto que tiene el material con el aire (oxígeno) durante la colocación. El
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42
segundo mecanismo corresponde al envejecimiento que sufre el asfalto a través
del tiempo de servicio, debido también al contacto con el oxígeno, lo que produce
una mayor cantidad de asfaltenos (componente sólido) y el consecuente
endurecimiento del material.
Con base en los análisis empíricos desarrollados en los ligantes asfálticos, se
puede determinar el índice de penetración retenida (RP) y el incremento en el
punto de ablandamiento (ISP). Estos índices se calculan como sigue:
(5)
(6)
Bajos valores de RP y altos de ISP implican un mayor nivel de envejecimiento en
el asfalto.
Con base en la Figura 17 se puede observar que la modificación influencia de
manera positiva el fenómeno de envejecimiento en el asfalto, debido a que el RP
aumenta con el incremento en el contenido de nanoarcilla. De igual forma, el ISP
disminuye con el contenido de modificador. Para el primer índice, se han
observado aumentos de alrededor de un 15%, mientras que en el largo plazo se
han obtenido aumentos en el RP de entre 8 y 10%. En el caso del ISP es aún más
notable el efecto que la modificación tiene en el corto plazo comparado con el
envejecimiento en el largo plazo, en el primero se tienen disminuciones de
alrededor del 20%, mientras que en el segundo se tienen disminuciones tan sólo
del 5%, en promedio. Esto refleja que la modificación no representa mayor
efectividad en la resistencia al envejecimiento en el largo plazo. Adicionalmente,
se puede observar que los cambios obtenidos cuando se aumenta el modificador
no son sustanciales con respecto a los índices que arrojan porcentajes menores.
En la Figura 18 se puede observar que para el control de este tipo de deterioro, la
nanoarcilla Nanofil® 15 funciona mejor que Cloisite® 15A ya que se observan
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43
mayores aumentos del RP y disminuciones más grandes para el ISP cuando se
modifica con la primera (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Ghile 2006).
Adicionalmente se encontró que el hecho de aumentar el porcentaje de
modificador de un 3 a un 6% no representa cambios significativos en los índices
de envejecimiento, por lo que es conveniente siempre aproximarse a un contenido
óptimo.
Figura 17. RP e ISP para envejecimiento en el corto y largo plazo (Ghile 2006)
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44
Figura 18. Comparación para RP entre Nanofil 15 y Cloisite 15A (Andalibizade y Vossough 2010)
A pesar de que una de las nanoarcillas funciona mejor para prevenir el
envejecimiento, se ha determinado que las pequeñas mejoras debido a la
modificación se han atribuido principalmente al hecho de que las nanopartículas
aumentan la viscosidad del material y esto impide una menor capacidad de flujo
de éste y en consecuencia tiene menos contacto con el oxígeno (que lo envejece).
Así, el efecto no está directamente asociado a la modificación química
propiamente sino al aumento de la propiedad física.
En términos de los parámetros fundamentales, se ha analizado principalmente el
cambio de un índice de envejecimiento (AI) que se calcula como:
(7)
Para ello, se han realizado ensayos de DSR sobre muestras de asfalto fresco y
envejecido para simular el efecto del fenómeno sobre el valor del módulo del
material. A mayores valores de AI en la muestra, se tiene un mayor nivel de
envejecimiento.
Estudios han mostrado que la modificación con nanoarcillas reduce el efecto del
envejecimiento en los ligantes asfálticos, ya que como se observa en la Figura 19,
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45
el índice de envejecimiento es menor en el asfalto modificado con organoarcilla
(OTAC+).
Figura 19. Índice de envejecimiento vs. Frecuencia (Liu et al. 2010)
La evaluación del fenómeno de envejecimiento puede determinarse mediante la
observación de las curvas maestras. La separación entre la curva del ligante
original y la curva de este mismo pero cuando se envejece, representa el aumento
del módulo para una condición conocida de temperatura y frecuencia. Así mismo,
observando las curvas para el caso del ligante modificado, se puede obtener el
aumento del módulo debido al envejecimiento. En caso de existir beneficios
debidos a la modificación, se esperaría que el aumento en el caso del ligante
modificado sea menor que en el caso del ligante original. Este mismo análisis se
puede desarrollar para el ángulo de fase (en este caso se tiene que delta
disminuye debido al envejecimiento).
Analizando los valores para G* en el corto plazo, se ha observado que en asfaltos
sin modificar, el aumento de módulo se da en aproximadamente un 150%, con
respecto al asfalto fresco. Según los estudios se ha determinado que en los
asfaltos modificados, el módulo aumenta en un 100% por causa del
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46
envejecimiento. Esto refleja un 30% promedio de reducción en el envejecimiento,
gracias a la adición de nanoarcillas en las matrices asfálticas. Esto ocurrió en
rangos de frecuencias bajos. Sin embargo, en altas frecuencias también se
observa cierto beneficio en la resistencia al envejecimiento (cerca de entre un 15 y
20%) con base en el mismo análisis desarrollado antes. Estos resultados se
obtienen con base en la observación de los valores de módulo y delta de las
curvas maestras para el material en estado fresco y envejecido tanto para el
ligante original como para el modificado (ver Figura 20 y Figura 21) (Ghile 2006,
Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Liu et al. 2009).
Figura 20. Curva maestra para G* en asfalto fresco y envejecido (corto plazo) (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009)
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47
Figura 21. Curva maestra para δ en asfalto fresco y envejecido (corto plazo) (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009)
Aunque principalmente se considera el análisis de G* para la evaluación del
envejecimiento, los resultados de δ también reflejan una disminución mayor en el
caso de los ligantes originales que en los modificados. La disminución del ángulo
de fase está asociada a la pérdida de la componente viscosa del material
(aumenta la componente elástica). Sin embargo, el efecto se refleja de mejor
manera en los valores de módulo.
Para el análisis del envejecimiento a largo plazo, se observó que los efectos de la
modificación son casi nulos en el ligante, debido a que el aumento en el módulo es
bastante alto y aunque en el caso de los ligantes modificados aumenta menos, de
igual forma aumenta en niveles muy altos que no mejoran la resistencia al daño
por esta causa. Esto se determinó con base en un análisis igual al que se explicó
para el caso de corto plazo; observando los cambios entre asfalto fresco y
envejecido (original y modificado) para determinados niveles de frecuencia y
temperatura en la curva maestra (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009). En
términos generales, cabe resaltar que los mejores resultados arrojados por las
curvas maestras, se obtuvieron dentro de rangos de frecuencias medias y bajas;
es decir entre 10-4 y 100 Hz para G*. Aunque para δ, el límite superior de
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48
frecuencia donde funciona la modificación es menor: 10-4 a 1 Hz (Ghile 2006,
Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Liu et al. 2009 y 2010, Zare-Shahabadi,
Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010).
La condición que permite aumentar la resistencia al envejecimiento en el material
en el corto y largo plazo está dada por la dispersión de las láminas de las
nanopartículas, las cuales disminuyen el nivel de volatilización de los
componentes blandos del asfalto ante elevadas temperaturas. A su vez, estas
láminas aumentan la longitud de los caminos que debe seguir el oxígeno y demás
gases para entrar en contacto con el bitumen: la tortuosidad de la ruta de acceso
es mayor, como se observa en la Figura 22 (Liu et al. 2010, Zare-Shahabadi,
Shokuhfar y Ebrahimi-Nejad 2010).
Figura 22. Tortuosidad de ruta de acceso de oxígeno al asfalto
ICIV 201110 40
49
Con base en los diferentes aspectos analizados, es posible establecer que la
modificación genera efectos positivos en la mayoría de los puntos estudiados
correspondientes a propiedades y tipos de daño del material. Esto se basa en que
los parámetros de caracterización tanto empírica como fundamental, mostraron
mejoras en la condición del ligante modificado: mayor módulo, menor ángulo de
fase, menor penetración y puntos de ablandamiento más altos. En general, la
modificación es buena pero se debe analizar, como se ha insistido, aspectos como
la resistencia a la fatiga desde la interacción química entre el asfalto y las
nanopartículas de arcilla.
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50
5 Modificación de mezclas asfálticas
5.1 Ensayos de caracterización de mezclas asfálticas
En general, se han desarrollado estudios sobre ligantes únicamente, en mayor
medida que sobre mezclas de concreto asfáltico; sin embargo, algunos autores
han llevado a cabo pruebas sobre muestras de mezclas asfálticas con el fin de
observar diferentes parámetros representativos del desempeño de éstas, tal como
la resistencia a la tensión indirecta, el módulo resiliente y los análisis de
resistencia a los fenómenos de fatiga y ahuellamiento.
5.1.1 Ensayo de resistencia a la tensión indirecta (ITS)
Este ensayo consiste en someter una muestra en forma de cilindro a fuerzas de
compresión diametral de manera uniforme a lo largo de ésta. La Figura 23 muestra
un esquema de la realización del ensayo. La carga aplicada a la muestra es
estática y simplemente se va aumentando su nivel a una velocidad constante
estándar. La aplicación uniforme de la carga de compresión se realiza hasta
conseguir la rotura de la muestra de mezcla y se garantiza mediante el uso de
placas que permiten la distribución deseada de carga en la muestra. Los
parámetros de entrada del ensayo y condiciones estandarizadas se encuentran
detallados en la norma técnica ASTM D6931-07.
Figura 23. Esquema Ensayo de Tensión Indirecta
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51
5.1.2 Ensayo de módulo resiliente (MR)
El ensayo para determinar el módulo resiliente de una mezcla asfáltica está
basado directamente del anterior ensayo de resistencia de tensión indirecta; sin
embargo en este caso se implementa una aplicación de carga cíclica, ya que el
objetivo del ensayo es determinar una medida de la rigidez de la mezcla y la carga
cíclica simula en forma adecuada la carga de tráfico a la que está sometida una
estructura de pavimento en servicio. En general se aplican las cargas de la misma
forma que se indica en la Figura 23. La diferencia básica es la carga y descarga
que genera la aplicación cíclica (sinusoidal). Para mayor detalle del ensayo, se
puede referir a la norma ASTM D7369-09.
5.1.3 Ensayo de creep dinámico
Esta prueba consiste básicamente en aplicar carga axial cíclica (para simular las
cargas de tráfico en campo) a una muestra de mezcla asfáltica. La carga se aplica
verticalmente mediante un plato que garantiza la adecuada distribución de la carga
en la sección transversal de la muestra. A medida que se carga y descarga la
muestra, las deformaciones verticales se van midiendo mediante la instalación de
deformímetros. Dentro del ensayo se consideran 3 etapas según los valores de
deformación que se obtienen: la primera de ellas corresponde a una zona donde
las deformaciones son bastante grandes durante un número bajo de ciclos; la
segunda corresponde a la zona en la que la tasa de deformación permanente K,
permanece constante y la tercera etapa corresponde a la zona en la que la tasa de
deformación se acelera rápidamente. El inicio de esta etapa se encuentra
asociado al Fn (“flow number”) que representa un índice de resistencia a las
deformaciones permanentes y se define como el número de ciclos a los que K
empieza a aumentar aceleradamente. Para mayor detalle, la norma ASTM D5581-
07 ofrece una descripción del ensayo.
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52
5.1.4 Ensayo de resistencia a la fatiga
Este ensayo también se basa ampliamente en el ensayo de resistencia a la
tensión indirecta, pero con la diferencia de la condición de carga cíclica que se
debe aplicar a los cilindros. Existen dos formas de desarrollar este tipo de pruebas
dependiendo de la variable que se fija en el ensayo: esfuerzo o deformación
controlado(a). En los estudios analizados en este documento, se observó que se
acostumbra a realizar el ensayo a esfuerzo controlado y la interpretación de los
resultados comprende la elaboración de la curva de fatiga o vida de fatiga del
material que corresponde a una curva de Nf (número de repeticiones de carga) vs
σ (condición de esfuerzo). Con ella se obtiene el número de repeticiones de carga
que la mezcla soporta a un dado nivel de esfuerzo. La norma ASTM D7460-10
ofrece una descripción detallada de las características, parámetros y condiciones
del ensayo.
5.2 Efectos de la modificación en la caracterización de mezclas
asfálticas
5.2.1 Resistencia a la tensión indirecta (ITS)
El resultado más común de este ensayo constituye la construcción de una curva
de fuerza vs desplazamiento como la que se observa en la Figura 24. Con base en
ella, se obtienen los parámetros de resistencia a la tensión y los valores de
energía de total de fractura y energía a la falla.
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53
Figura 24. Curva de Fuerza vs Desplazamiento (Ghile 2006)
Estudios han mostrado que la resistencia a la tensión indirecta en mezclas
modificadas con nanoarcilla es mayor que la medida en mezclas sin modificar. El
incremento en el valor de la ITS en mezclas modificadas con Nanofil® 15 y
Cloisite® 15A oscila de un 8 a un 40% más que las mezclas estándar (Ghile
2006). Estos resultados dependen de la temperatura de ensayo a la que se
analicen los cambios y el contenido de nanoarcilla que se utiliza como modificador.
Los más altos incrementos en la propiedad se observan a las mayores
temperaturas y mayores contenidos de nanoarcilla y los incrementos más
pequeños se obtienen a temperaturas menores y más bajo contenido de
modificador. Así, se puede afirmar que la resistencia a la tensión indirecta mejora
con la modificación, especialmente a niveles altos de temperatura. Sin embargo se
ha observado que el parámetro mejora en cualquier nivel de temperatura,
confirmando el efecto positivo de la nanoarcilla ante las condiciones del ensayo.
En los niveles altos de temperatura se ha observado que las mezclas asfálticas
tienden a fallar por la aparición súbita de grietas, mientras que en las mezclas sin
modificar se observaron tipos de falla con grietas y deformaciones identificables.
La Figura 25 muestra una comparación de los valores encontrados para la ITS en
mezclas modificadas y originales, donde se observa el comportamiento superior
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54
de las primeras (Ghile 2006, Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Andalibizade y
Vossough 2010).
Figura 25. ITS vs temperatura (Ghile 2006)
En general se ha encontrado que, de forma similar a los estudios en ligantes, las
nanoarcillas más comunes son Cloisite® 15A y Nanofil® 15, de las que la primera
es la más eficiente en este caso, ya que su adición incrementa el valor de ITS en
casi el doble en comparación con la segunda nanoarcilla.
Adicional al cálculo de la resistencia a la tensión indirecta, los investigadores han
observado el efecto de la modificación sobre la energía de fractura que presentan
las mezclas. Esta propiedad corresponde matemáticamente al área bajo la curva
fuerza vs desplazamiento (ver Figura 24). Existen dos formas de analizar este
parámetro; la primera de ellas es determinando la energía completa bajo toda la
curva y la segunda es determinar la energía disipada hasta el momento en el que
aparecen las grietas en el espécimen ensayado.
En términos de la energía de fractura total, se ha encontrado que ésta es mayor
en las mezclas modificadas con la nanoarcilla que en las mezclas sin modificar. Se
han observado incrementos en esta energía de entre un 10 y un 50%. Sin
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55
embargo, en las comparaciones de la energía necesaria para iniciar la aparición
de grietas, se ha observado que los incrementos van desde un 50 a un 100%.
(Ghile 2006, Andalibizade y Vossough 2010, Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009).
Esto quiere decir que se necesita más energía para iniciar la aparición de grietas
en las mezclas modificadas, pero una vez esto sucede, la energía necesaria para
dañar completamente la muestra de mezcla asfáltica es menor en el caso de éstas
últimas, comparadas con las mezclas que no tienen nanoarcilla. Lo anterior puede
deberse a que con la aparición de las grietas, las mezclas modificadas se vuelven
más susceptibles a la propagación de las fisuras debido a que las láminas de
nanoarcilla empiezan a soportar carga y así se acelera el daño.
5.2.2 Módulo resiliente (MR)
La Figura 26 muestra una curva maestra construida para el módulo resiliente
obtenido del ensayo de muestras de mezcla asfáltica modificada con nanoarcilla y
las correspondientes mezclas originales. Como era de esperarse, el módulo
resiliente también decrece con el aumento de la temperatura y con la disminución
de la frecuencia de carga debido a las características viscoelásticas del material.
De diversos estudios (Ghile 2006, Andalibizade y Vossough 2010), se ha
demostrado que el uso de nanoarcillas como modificadores de mezclas, mejoran
los resultados obtenidos para el parámetro de rigidez MR. En general, se ha
observado que la modificación aumenta el MR entre un 5 y un 20% dependiendo
de los rangos de temperatura implementados en el ensayo. De forma similar a la
resistencia a la tensión indirecta, el incremento en los valores de módulo resiliente
se obtienen a mayores valores de temperatura (20% aprox.). En promedio se ha
determinado que los incrementos en la rigidez de la mezcla mejoran en un 12%
debido a la incorporación de las nanopartículas dentro del ligante con el que se
elaboran las mezclas modificadas. Esto sucede, para rangos muy amplios de
frecuencia y temperatura, por lo que se puede afirmar que el efecto de la
modificación es altamente positivo para el desempeño de las mezclas (Ghile 2006,
Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Andalibizade y Vossough 2010).
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56
Figura 26. Curva maestra para MR de mezclas asfálticas (Ghile 2006)
Comparando los nanomateriales utilizados en la modificación, se ha observado
que en el caso del MR, de las dos mencionadas en varias ocasiones, la
organoarcilla Cloisite® 15A es en promedio un 120% más eficiente a la hora de
mejorar el desempeño de la mezcla, comparada con Nanofil® 15.
5.2.3 Creep dinámico
En el ensayo de Creep dinámico se ha observado el comportamiento de las
mezclas asfálticas modificadas frente a las originales en términos de las
deformaciones permanentes acumuladas. Esto representa la susceptibilidad del
material al ahuellamiento, por lo que las pruebas se llevan a cabo a temperaturas
mayores en las que el comportamiento del concreto asfáltico (por causa del
ligante) es más crítico.
La Figura 27 muestra las curvas de deformación permanente acumulada en
función del número de repeticiones en el ensayo. Estas curvas corresponden a la
temperatura crítica considerada en general. Sin embargo, normalmente se ha
encontrado que a temperaturas inferiores a ese valor crítico (alrededor de 60°C) y
para niveles de carga pequeños (100 a 200 KPa) las mezclas asfálticas (tanto
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57
modificadas como originales) no alcanzan la etapa terciaria, asociada a la mayor
acumulación de deformaciones permanentes. Mientras que con el aumento de la
temperatura y la carga se observó que ambas mezclas alcanzan esta etapa
establecida por definición. Comparativamente, se ha encontrado que las mezclas
modificadas llegan a esta etapa terciaria a un número de repeticiones de carga
mayor que el propio de las mezclas originales (Ghile 2006, Andalibizade y
Vossough 2010).
Figura 27. Deformación acumulada vs Número de repeticiones (Ghile 2006)
Con el aumento de los niveles de carga y a las mayores temperaturas se ha
determinado que las mezclas estándar presentan fallas por deformaciones
excesivas y aparentan un completo estado de deterioro por esta causa. Por el
contrario, las mezclas modificadas no presentan un deterioro completo sino que
presentan cierto nivel de deformación menor que el de las mezclas originales. En
algunos casos, según la variación de los niveles de carga, las mezclas originales
muestran fallas prematuras frente a las modificadas; esto se observa analizando el
número de repeticiones a las que se presentan las fallas en las primeras y
confirmando que las mezclas con nanoarcilla no presentan el mismo nivel de
deterioro.
Analizando el parámetro K se ha establecido que éste es en promedio unas 3
veces mayor en el caso de las mezclas sin modificar, comparado con el de las
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58
mezclas modificadas (para todos los rangos de temperatura). Esto es lógico, ya
que a mayores temperaturas, la mezcla es más susceptible al ahuellamiento y al
mismo tiempo se confirma la buena influencia de la modificación en las mezclas
ante las deformaciones permanentes. En cuanto al parámetro Fn, se ha
encontrado que sus valores son mayores en el caso de las mezclas modificadas
que en las mezclas originales en un factor de entre 1.5 a 2 veces (Andalibizade y
Vossough 2010, Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Ghile 2006). El parámetro
indica el inicio de la etapa terciaria de las deformaciones acumuladas, por lo que al
obtener valores mayores, se entiende que las deformaciones permanentes
acumuladas se están acelerando a un mayor número de repeticiones de carga, lo
que a su vez indica una menor susceptibilidad del material ante el fenómeno de
ahuellamiento (o como mínimo un retardo en la aparición de dichas
deformaciones). En los casos en los que no se halló el valor de Fn por la no
aparición de deformaciones importantes aún, se tomó el valor de las
deformaciones permanentes (PD) al máximo número de repeticiones posible en el
ensayo. Se encontró que este valor es mayor en las mezclas originales que en las
modificadas, como era de esperarse.
5.2.4 Fatiga
Los estudios realizados en mezclas modificadas con nanoarcillas mediante el
ensayo de resistencia a la fatiga se han desarrollado a diferentes valores de
temperatura para estudiar los efectos en las muestras. Es de gran importancia
analizar los resultados obtenidos a menores niveles de temperatura, ya que como
es sabido, el material es más susceptible a fatigarse en condiciones de bajas
temperaturas.
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59
Figura 28. Vida de fatiga vs. Esfuerzo (Ghile 2006)
En la Figura 28 se presenta una comparación entre la vida de fatiga obtenida para
las mezclas modificadas y las mezclas sin modificar en un estudio realizado por
Ghile (2006). Esta, como se dijo antes, corresponde al caso crítico de análisis
porque representa la vida de fatiga del material a un nivel de temperatura bajo
(5°C). En general se ha observado que debido al aumento del módulo G* del
material para las muestras modificadas, éstas se vuelven más susceptibles al
daño por fatiga, debido a que tal incremento aumenta la fragilidad del material.
En promedio se ha obtenido que la vida de fatiga de las mezclas modificadas
corresponden a entre un 75 y 80% de la vida de fatiga de las mezclas sin modificar
para niveles altos de carga (Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Ghile 2006).
Además se ha encontrado que para bajos niveles de carga, la ley de fatiga es
prácticamente igual en las mezclas tanto modificadas como originales. Es decir
que la vida de fatiga de las primeras es entre un 98 y un 100% de la vida de fatiga
de las últimas. Considerando todos los niveles de carga en los ensayos, se puede
afirmar que la vida de fatiga de las mezclas modificadas corresponde en promedio
a un 81% de la vida de fatiga de las muestras originales. Esto no refleja un efecto
positivo de la modificación sobre el desempeño de las mezclas en términos de
ICIV 201110 40
60
deterioro por fatiga y está de acuerdo con los resultados promedio que se han
encontrado en los análisis de los parámetros de fatiga en ligantes asfálticos (Ghile
2006, Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009, Andalibizade y Vossough 2010).
A temperaturas superiores, se ha observado que las mezclas modificadas se
comportan de mejor manera ante la fatiga. Sin embargo, es lógico pensar que el
análisis del daño por fatiga no debe hacerse a altas temperaturas dado que el
comportamiento del asfalto sugiere que a altos niveles de temperatura el material
se vuelve susceptible a otro tipo de daño en los que efectivamente se ha
encontrado que la modificación es buena (ahuellamiento). Por tal razón, no es
posible considerar un efecto positivo de la modificación para la resistencia a fatiga
de las mezclas, a pesar de que se comporten mejor en niveles de temperatura
diferentes pero que no corresponden a los casos “críticos” en la práctica.
A pesar de que en la mayoría de los casos en que se utilizaron los dos tipos
comunes de organoarcilla Cloisite® 15A ha demostrado un mejor efecto que
Nanofil® 15, ha sido demostrado que la nanoarcilla Nanofil® 15 se comporta mejor
como modificador dentro de las mezclas asfálticas para el control de fatiga,
comparada con la organoarcilla Cloisite® 15A en un 16% (Andalibizade y
Vossough 2010, Ghaffarpour Jahromi y Khodaii 2009).
De la Figura 28 se puede observar a simple vista que la pendiente del ajuste de la
vida de fatiga de la mezcla modificada es mayor que la de la original. Esto
confirma que cuando ambas mezclas se someten a un mismo nivel de esfuerzo, la
primera de ellas se daña más rápido que la mezcla sin modificación, es decir que
soporta un menor número de repeticiones de carga. Esto permite ver que la
modificación en este caso (Closite® 15A) incluso hace susceptible a la mezcla al
deterioro por fatiga. Con base en esto sería interesante observar los resultados de
una posible combinación de las dos clases de organoarcilla para determinar el
efecto que causa este nuevo modificador en esta y las demás propiedades de las
mezclas y ligantes asfálticos; o que como mínimo se garantice una vida de fatiga
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61
igual y sí se aumenten las demás propiedades que sí se han visto beneficiadas
con la modificación.
5.3 Productos más utilizados en la modificación de ligantes y mezclas
La Tabla 1 muestra las nanoarcillas producidas y reconocidas comercialmente que
han sido más utilizadas en los procesos de modificación de ligantes y mezclas
asfálticas. Como se observa, el productor principal de las organoarcillas que se
implementan como modificadores de ligantes y mezclas asfálticas es la compañía
Southern Clay Products, Inc.
Tabla 1. Nanoarcillas más comunes en modificación de ligantes y mezclas asfálticas (SCP 2006)
Nanoarcilla Productor Agente Modificador Concentración de Modificador (meq/100 g de arcilla)
d001 (Å)
Cloisite®
15A Southern Clay Products
Sal de Amonio Cuaternario 125 31.5
Nanofil® 15 Southern Clay Products
Sal de Amonio Cuaternario 93 28
En el capítulo 3 se mostró que en el proceso de modificación de la arcilla natural
se utilizan diferentes agentes orgánicos que la convierten de su estado natural
(hidrofílico) a un estado de mayor compatibilidad con las matrices orgánicas donde
se utilice. De la Tabla 1 se observa que para las dos nanoarcillas mencionadas se
emplea una sal de amonio cuaternario como agente encargado del proceso de
tratamiento superficial en las láminas de arcilla; éste es un compuesto orgánico
denominado químicamente como 2M2HT, amonio cuaternario de alquilo con sebo
di-metil di-hidrogenado (SCP 2006). El compuesto es el mismo en los dos casos
pero se puede ver que la concentración en Cloisite® 15A es un 34% mayor que en
el caso de Nanofil® 15. Esto probablemente tiene un efecto diferente en las
características de las nanopartículas resultantes del tratamiento superficial y ello
se puede confirmar al comparar la separación entre capas d001 que también es
ICIV 201110 40
62
mayor en este caso en un 13% para la primera nanoarcilla. Con base en esto,
resultan bastante lógicos los resultados obtenidos en la mayoría de pruebas tanto
para ligantes asfálticos como para mezclas, debido a que como se ha insistido a lo
largo del documento, un mayor valor de separación entre capas incrementa la
compatibilidad de las nanopartículas con el medio donde se utilizan (asfalto en
este caso) y mejora las propiedades de los nanocompuestos que conforman.
En general, los productos que ofrece la industria de las nanoarcillas se concentra
en nichos de mercado que tienen como aplicación el refuerzo de materiales
plásticos y polímeros específicamente; los productos son diseñados con el fin de
mejorar propiedades físicas de estos materiales. Algunos de los principales retos
de diseño de las nanoarcillas constituyen mejorar los módulos de los materiales, la
resistencia a tensión y aumentar las propiedades de barrera ante gases, entre
otras (SCP 2006).
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6 Aspectos a considerar para la modificación con nanoarcillas
en Colombia
En Colombia existen varios yacimientos de arcilla de los que se obtiene material
de muy buena calidad. Estos principalmente están concentrados en los
departamentos de Antioquia, Cundinamarca y Cauca (GAIA s.f.). De ésta forma
sería viable analizar las características de las arcillas disponibles en estos sitios
para evaluar la posibilidad de utilizarlas como modificador de ligantes y mezclas
asfálticas. Sin embargo, debido al especial tratamiento que se les debe dar para
conseguir las nanopartículas, es importante profundizar en la técnica de
modificación de las arcillas naturales. De otro modo, sería conveniente importar
muestras de nanoarcilla producida y distribuida comercialmente como las que se
han observado en diversos estudios sobre ligantes y mezclas, para asegurar la
eficiencia en los resultados de los análisis del comportamiento de éstos
materiales. En síntesis, sería conveniente hacer una comparación económica de
las diferentes alternativas con las que se cuenta con base en los modificadores;
así se tendría plena certeza de si es más conveniente elaborar las nanoarcillas o
importarlas.
En general se ha observado que los asfaltos que han resultado más beneficiados
en términos de las mejoras de sus propiedades mecánicas, son materiales
clasificados como 60/70 con base en su índice de penetración. En Colombia, se
producen dos tipos de asfalto únicamente y son los obtenidos de las refinerías de
Apiay y Barrancabermeja. De ellos, el que mejor corresponde con los asfaltos
utilizados en los estudios más exitosos es el asfalto de Apiay, ya que con base en
sus propiedades e índices de caracterización, coincide con los ligantes estudiados.
Sería conveniente realizar ensayos sobre muestras de asfalto producido en el país
y desarrollar metodologías de modificación y caracterización de éste para evaluar
la viabilidad del tema en Colombia.
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En términos generales, las características físicas y microscópicas de las
nanoarcillas no involucran ninguna dificultad dentro de los procesos de
elaboración de mezclas asfálticas. Uno de los principales problemas que podría
presentarse es que las nanopartículas fueran susceptibles a altos niveles de
temperatura; sin embargo, los ensayos de caracterización y los análisis termo
gravimétricos han demostrado que la composición química de las nanoarcillas es
resistente incluso a temperaturas mayores que las que se necesitan para
garantizar la trabajabilidad de los ligantes. Por ello, la modificación no constituiría
problema alguno dentro del proceso industrial tradicional con que se cuenta para
elaborar concreto asfáltico.
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7 Conclusiones y Recomendaciones
Con base en los principios de la elaboración de las nanoarcillas y los resultados
obtenidos en diferentes estudios de comportamiento de ligantes y mezclas, se
puede concluir que la modificación con este tipo de materiales está
completamente influenciada por la interacción química entre el asfalto y las
nanopartículas. De esta forma los retos que siguen en términos de investigación,
corresponden a realizar análisis exhaustivos en la composición química del asfalto
y cómo sus componentes pueden interactuar de mejor forma con las
organoarcillas.
Aunque los índices tradicionales con los que se caracterizan los ligantes asfálticos
no permiten predecir el comportamiento bajo determinadas condiciones de daño
en el material, la modificación ha demostrado ser efectiva debido a la disminución
en los valores de penetración y ductilidad y los incrementos en la viscosidad del
asfalto cuando está modificado.
La modificación de ligantes asfálticos con nanoarcillas ha demostrado beneficios
importantes en el comportamiento reológico de estos. La modificación aumenta los
valores del módulo complejo del material al mismo tiempo que disminuye el ángulo
de fase. A pesar de que los beneficios están asociados a niveles bajos e
intermedios de frecuencia, se puede afirmar que la modificación es en general
efectiva para mejorar la resistencia al daño por deformaciones permanentes y para
mejorar la caracterización mecánica del asfalto.
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En general, la modificación ha mostrado mejoras en las propiedades del asfalto;
sin embargo, en los análisis de control de fatiga, tanto en mezclas como en
ligantes, se observó que no hay tal beneficio. Por ello, se debe analizar con más
cuidado la posibilidad de implementar la modificación en casos de menores vidas
útiles de los proyectos. Además se encontró que un tipo de nanoarcilla mantiene al
menos en el mismo nivel la vida de fatiga de las mezclas asfálticas; así, sería
interesante estudiar la posibilidad de utilizar una combinación de diferentes tipos
de nanoarcillas que beneficien completamente el desempeño del concreto
asfáltico.
Los estudios realizados hasta este momento se han concentrado en el desarrollo
de proyectos netamente investigativos, por lo que no se conoce de experiencias
en proyectos donde se haya implementado el uso de nanoarcillas como
modificadoras de ligantes y mezclas asfálticas. A pesar de que no se cuenta con
un 100% de confianza en la modificación debido a los temas pendientes y a la
reciente iniciativa de su aplicación, sería interesante implementar la modificación a
proyectos de pequeño alcance con cortos períodos de vida útil, para así confirmar
con experiencias en campo los resultados obtenidos en laboratorio.
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