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Autor: Riaño S., Francisco J.
CI: 18.501.481
Tutor Académico: Ing. Oscar Ojeda Liendo.
Urb. Yuma II, Calle No 3 Municipio San Diego
Teléfono (0241) 8714240 (máster)
ANALIZAR LAS VENTAJAS Y
DESVENTAJAS EN EL USO DE ASFALTOS
MODIFICADOS CON DIVERSOS
POLÍMEROS COMO ALTERNATIVA
PARA LA CONSTRUCCIÓN Y
CONSERVACIÓN DE CARRETERAS
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD JOSÉ ANTONIO PÁEZ
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ANALIZAR LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN EL USO DE ASFALTOS
MODIFICADOS CON DIVERSOS POLÍMEROS COMO ALTERNATIVA
PARA LA CONSTRUCCIÓN Y CONSERVACIÓN DE CARRETERAS
Trabajo de Grado Presentado como Requisito para Optar al Titulo
INGENIERO CIVIL
Autor: Riaño S., Francisco J.
CI: 18.501.481.
Tutor Académico: Ing. Oscar Ojeda Liendo.
San Diego, Febrero 2013
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD JOSÉ ANTONIO PÁEZ
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ACEPTACIÓN DEL TUTOR
Quien suscribe, Ingeniero Oscar Ojeda Liendo, portador de la cédula de identidad
N°3.149.888, en mi carácter de tutor del trabajo de grado presentado por el
ciudadano Francisco José Riaño Sarmiento, portador de la cédula de identidad N°
18.501.481, (respectivamente), titulado ANALIZAR LAS VENTAJAS Y
DESVENTAJAS EN EL USO DE ASFALTOS MODIFICADOS CON
DIVERSOS POLÍMEROS COMO ALTERNATIVA PARA LA
CONSTRUCCIÓN Y CONSERVACIÓN DE CARRETERAS.
Presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero, considero
que dicho trabajo reúne los requisitos y méritos suficientes para ser sometido a la
presentación pública y evaluación por parte del jurado examinador que se designe.
En San Diego, a los 5 días del Mes de Febrero 2013.
___________________________
Ing. Oscar Ojeda Liendo
C.I.: 3.149.888
Agradecimiento
A Dios todopoderoso por permitirme llegar a mi primera meta dándome
fuerzas ante cada caída y tropiezo en mi vida, permitiéndome obtener con éxitos cada
una de mis metas propuestas.
A mis padres por ser mi pilar, brindándome el apoyo y amor necesario para
seguir adelante.
A mi casa de estudio Universidad José Antonio Páez por abrirme las puertas
para la realización de hoy mi profesión.
A todos los Profesores de mi casa de estudio, y en especial al Ingeniero Oscar
Ojeda Liendo, por dedicarme un poco de su tiempo y brindarme sus conocimientos y
ayuda para la total y eficaz presentación de este Trabajo Especial de Grado. A todos y
cada uno gracias.
A mis Compañeros de estudio por recorrer junto a mí el largo transitar de
nuestra profesión ofreciéndome su compañía, amistad y conocimiento para juntos
cumplir esta meta anhelada.
A mi novia, Alejandra Padrón por estar siempre en la buenas y en las malas,
durante mi carrera universitaria y mi vida personal.
A todos mis amigos, en especial a Carlos Tortolero, Antonio Oliveros y Luis
R. Farías por brindarme la oportunidad de contar con unos hermanos de vida
complementando mi gran familia, dándome apoyo en cada alegría y tristeza.
Dedicatoria
En primer lugar dedico mi trabajo especial de grado a Dios por ser quien guía
cada uno de mis pasos, guiándome en el buen camino, siendo mi fortaleza cada día
para seguir adelante y no desmayar ante los problemas, enseñándome a encarar las
adversidades de la vida con valentía y humildad sin desfallecer en el intento.
A mi familia por ser pilar de mi formación por estar siempre presentes,
acompañándome para poderme realizar como persona y profesional.
A mis padres por su apoyo, consejos, comprensión, amor, ayuda en los
momentos difíciles, y por ayudarme con los recursos necesarios para estudiar. Me han
dado todo lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi carácter, mi
empeño, mi perseverancia, mi coraje para conseguir mis objetivos.
A mi novia, Alejandra Padrón por estar presente, por su ayuda y apoyo antes
y durante mi carrera universitaria compartiendo cada uno de mis logros, caídas,
tristezas y alegrías.
En general dedico este logro a todas las personas que creen y confían en mí y
me dan todo su apoyo en las buenas y las malas.
vii
ÍNDICE GENERAL
pp
LISTA DE FIGURAS………………………………………………………... x
LISTA DE GRÁFICOS……………………………………………………… xi
RESUMEN…………........................................................................................ xii
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………… 1
CAPÍTULO
I EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del Problema…………………………………………. 3
1.1.1 Formulación del Problema………………………………………. 7
1.2 Objetivos de la Investigación………………………………………... 7
1.2.1 Objetivos General………………………………………………... 7
1.2.2 Objetivos Específicos……………………………………………. 7
1.3 Justificación de la Investigación……………………………………... 8
1.4 Alcance de la Investigación………………………………………….. 8
II MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes de la Investigación…………….……………………… 10
2.2 Bases Teóricas...…………………………………………………… 14
2.2.1 El Asfalto………………………………………………………… 14
2.2.2 Obtención del asfalto en refinerías………………………………. 18
2.2.3 Composición del Asfalto………………………………………… 20
2.2.4 Características del Asfalto……………………………………….. 22
2.2.5 Tipos de Asfalto………………………………………………….. 23
2.2.6 Función del asfalto en los Pavimentos…………………………… 26
viii
2.2.7 Asfalto Modificado con Polímeros……………………………... 27
2.2.8 Definición de Polímero…………………………………………. 27
2.2.9 Elaboración de los polímeros…………………………………… 28
2.2.10 Producción de los polímeros…………………………………… 29
2.2.11 Clasificación de los polímeros………………………………….. 29
2.2.12 Polímeros utilizados en la modificación de asfaltos……………. 31
2.2.13 Asfalto modificado……………………………………………... 32
2.2.14 Compatibilidad asfalto- polímero………………………………. 33
2.2.15 Principales modificadores utilizados en el Asfalto…………….. 34
2.2.16 ¿Por qué se modifican los asfaltos?.............................................. 38
2.2.17 Modificación del Asfalto……………………………………….. 39
2.2.18 Estructura de los Asfaltos Modificados………………………… 40
2.2.19 Compatibilidad de los Polímeros………………………………. 40
2.2.20 Técnicas para modificar Asfaltos………………………………. 42
2.2.21 Comportamiento asfalto convencional con respecto al Asfalto
modificado……………………………………………………… 43
2.2.22 Cambio de Propiedades en el ligante asfáltico…………………. 44
2.2.23 Proceso Constructivo del Asfalto Modificado…………………. 44
2.2.24 Diseño de mezcla asfáltica……………………………………... 45
2.2.25 Comportamiento de las cargas sobre el pavimento…………….. 48
2.2.26 Número de repeticiones de carga………………………………. 49
2.2.27 Naturaleza cíclica de las cargas que actúan en un pavimento…. 49
2.2.28 Influencia del tránsito en la aplicación de las cargas en
pavimentos……………………………………………………… 50
2.2.29 Solicitaciones de cargas a un pavimento……………………….. 51
2.3 Bases Legales………………………………………………………... 54
ix
2.4 Definición de Términos Básicos…………………………………….. 57
III MARCO METODOLÓGICO
3.1 Metodología de la Investigación…………………………………….. 62
3.2 Tipo de Investigación………………………………………………... 63
3.3 Diseño de la Investigación…………………………………………… 63
3.4 Técnica e instrumentos de recolección de datos…………………….. 64
3.5 Fase Metodológica.………….............................................................. 64
IV RESULTADOS
4.1 Ventajas del Uso de Polímeros en el Asfalto………………………… 70
4.2 Desventajas del Uso de Polímeros en el Asfalto…………………….. 72
V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones…………………………………………………………. 74
5.2 Recomendaciones…………………………......................................... 75
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 76
x
LISTA DE FIGURAS
Fig. pp
1. Proceso de refinación de petróleo ……………………………….. 20
2. Composición del asfalto………………………………………….. 22
3. Polímeros tipo elastómeros……..................................................... 34
4. Polímeros tipo SBS………………………………………………. 35
5. Polímeros tipo SBS procesado…………………………………… 35
6. Polímeros tipo Hule de llanta procesado…………………………. 35
7. Polímeros tipo Plástomeros………………………………………. 36
8. Polímeros tipo Polietileno………………………………………... 37
9. Polímeros tipo PCV………………………………………………. 37
10. Polímeros tipo EVA……………………………………………… 38
11. Microfotografía (Emulsiones Asfálticas)………………………... 41
12. Probeta Marshall…………………………………………………. 48
13. Máquina de ensayo Marshall……………………………………... 48
14. Relación entre la presión de contacto y la presión de la llanta........ 52
15. Asfalto convencional sometido a tráfico a 60ºC…………………. 67
16. Asfalto modificado sometido a tráfico a 60ºC…………………… 68
xi
LISTA DE GRÁFICOS
Gráf. pp
1 Estabilidad vs. Porcentaje de PVC variando el porcentaje de CA (a)
M19 (b) M12………………………………………………………… 12
2 Relación E/F vs. Porcentaje de PVC variando el porcentaje de CA
(a) M19 (b) M12…………………………………………………….. 12
3 Productos y temperaturas típica de destilación……………………… 17
4 Comportamiento del asfalto convencional respecto al asfalto
modificado…………………………………………………………… 43
5 Tiempo de pulsación para el esfuerzo vertical con carga senoidal y
triangular…………………………………………………………….. 53
6 Tiempo de pulsación para el esfuerzo vertical con onda tipo
cuadrada…………………………………………………………….. 53
7 Diferencias notables entre los asfaltos modificados y los asfaltos
modificados con polímeros………………………………………….. 66
8 Efecto del Asfalto modificado con polímeros sobre la rigidez y la
temperatura…………………………………………………………... 68
9 Relación Tensión/Fatiga entre asfaltos convencionales y
modificados………………………………………………………...... 69
xii
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD JOSÉ ANTONIO PÁEZ
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
Analizar las ventajas y desventajas en el uso de asfaltos modificados con diversos
polímeros como alternativa para la construcción y conservación de carreteras.
Autor: Riaño S., Francisco J.
Tutor Académico: Ing. Ojeda L., Oscar A.
Fecha: Febrero; 2013
RESUMEN INFORMATIVO
El propósito de la presente investigación fue analizar las ventajas y
desventajas del uso de asfaltos modificados con diversos polímeros como
alternativa para la construcción y conservación de carreteras. La
modificación de asfalto es una nueva técnica utilizada para el
aprovechamiento efectivo de asfaltos en la pavimentación de vías. La
investigación se enmarca dentro del proyecto de investigación científica
de tipo descriptivo y bajo la modalidad y diseño bibliográfico. Se realizó
la recolección de datos mediante la indagación de documentos
bibliográficos. Finalmente, la propuesta tiene como objetivo presentar
información acerca del uso del material asfaltico modificado y exponer
las ventajas y desventajas del uso de ellos para una mayor durabilidad de
las carreteras las cuales ocupan un lugar muy importante dentro de la
infraestructura debido a que contribuyen al desarrollo del país.
Descriptores: polímeros, asfalto, deformación, durabilidad, carreteras,
conservación.
1
INTRODUCCIÓN
Las necesidades y exigencias de las ciudades modernas, han procurado que las
técnicas actuales en la construcción de caminos cumplan con las demandas de los
usuarios, hoy en día los productos asfálticos han tenido un gran desarrollo y se cuenta
con nuevas emulsiones asfálticas, producto del desarrollo obtenido de la realización
de pruebas diversas en los distintos materiales que conforman un asfalto. Las
características de estas nuevas emulsiones permiten el empleo de casi todos los tipos
de materiales pétreos, cualquiera que sea su composición química y su empleo para
trabajar en condiciones atmosféricas anteriormente imposibles.
Ante la necesidad creciente de contar con productos que tengan un mejor
comportamiento bajo la acción del tránsito vehicular y de los distintos factores
ambientales, se han desarrollado procesos y fórmulas que permiten la fabricación de
asfaltos de mayor durabilidad, mediante la adición de polímeros. La utilización de
polímeros en la preparación de mezclas asfálticas data desde hace más de medio siglo
en los países con mayor avance tecnológico, desde entonces se ha mostrado el interés
en conocer el comportamiento de las mezclas asfálticas modificadas con polímeros.
El empleo de asfaltos modificados con polímeros tiene un costo adicional sobre
la mezcla asfáltica según Vázquez Idalit (2010) de hasta un 25%, pero a su vez
reduce los costos de mantenimiento. Por otra parte está plenamente comprobado que
los asfaltos convencionales poseen propiedades satisfactorias, sin embargo, el
creciente incremento de volumen de tránsito, la magnitud de las cargas y la necesidad
de optimizar las inversiones, provoca que en algunos casos, las propiedades de los
asfaltos convencionales resulten insuficientes.
Ante las situaciones mencionadas, además de apelar a nuevas tecnologías
constructivas y del resto de los materiales, una solución evidente fue modificar el
asfalto, tal es el caso de el uso de polímeros, logrando de esta manera mejorar el
comportamiento de los pavimentos, con el consecuente beneficio al obtener periodos
de diseño y de vida útil mayores que el de los pavimentos convencionales.
2
Hoy día se siente la necesidad de adecuarse a las demandas actuales de tráfico,
pero también se deben prever las futuras, esto se logra mediante una mejor selección
de materiales, el uso de cemento asfáltico modificado es una técnica usada en varios
países con el fin de aprovechar los asfaltos en la pavimentación de vías. Esta
tecnología consiste en la adición de polímeros a los asfaltos convencionales, con el
fin de mejorar sus características mecánicas, es decir; su resistencia a las
deformaciones por factores climatológicos y del tránsito. La modificación de asfaltos
con polímeros de las más diversas variedades y procedencias es una de las tendencias
más importantes de la industria actual de construcción de carreteras, es por eso que
esta investigación se hizo con el fin de evaluar las características de los asfaltos
modificados y su uso para pavimentación de carreteras, evaluando las ventajas y
desventajas, que representa su uso para una mayor duración de las carreteras en
nuestro país.
Para el logro de los objetivos propuestos en la investigación se hizo necesario
estructurar la investigación de manera sistemática en los siguientes capítulos:
Capítulo I: En este capítulo se analizó el planteamiento del problema, se
establecieron los objetivos y se justificó el objetivo de la investigación de acuerdo a
la necesidad de mejoramiento de las vías.
Capítulo II: Contiene el Marco Teórico donde se avaló a través de los estudios
anteriores construyéndose de este modo los antecedentes de la investigación y de
igual manera se presentaron las bases teóricas y legales.
Capítulo III: Contiene el Marco Metodológico de la investigación en donde se
plasmó el tipo y diseño de la Investigación, selección de la población y muestra,
técnicas e instrumentos para recolectar datos e información.
Capítulo IV: En este capítulo se presentaron cada uno de los recursos necesarios para
la culminación de la investigación.
1
CAPÍTULO I
El PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
Las deformaciones permanentes producidas en las mezclas asfálticas es uno de
los problemas más frecuentes que se producen sobre los pavimentos, Este fenómeno
se ha visto incrementado en los últimos años debido a la combinación de elevado
nivel de transito, cálculo del factor camión, inadecuado uso de los conteos
vehiculares y la falta de mantenimiento vial.
Buena parte de la vialidad existente en nuestro país data de décadas atrás.
Aunque cada año se venden en el país decenas de miles de carros nuevos, este
aumento en el flujo de transito no es correspondido con aumento en el número de
calles o autopistas. Las vías que ya existen, por su parte, sufren de vejez y falta de
mantenimiento adecuado. De allí que el venezolano se ve constantemente abrumado
por el congestionamiento y otros problemas como huecos, baches en el pavimento y
accidentes frecuentes.
Hasta ahora, uno de los problemas más comunes a nivel nacional es el estado de
los caminos y vías de comunicación, esto por dos razones fundamentales: el costo de
las obras y la poca duración de las mismas. Definitivamente los factores de esta
situación son múltiples, tales como diseños económicos para tránsito limitado, el
ambiente tropical de mucha lluvia, el tipo de agregado, falta de drenajes o el descuido
en el mantenimiento preventivo, cálculo preventivo del factor camión, etc. Es muy
común que se le adjudique la culpa, tanto a las constructoras de vías como a los
usuarios de las fallas que la carretera presenta, pero es relevante comentar las
características de resistencia que el asfalto presenta para cumplir con las exigencias al
que está sometido a diario con el tráfico vehicular y las condiciones atmosféricas que
4
se presentan en el año.
Los materiales que constituyen los pavimentos, incluyendo las terracerías y el
terreno de cimentación, se ven sometidos a cargas dinámicas de diversas magnitudes
que le son transmitidas por el tránsito vehicular. Con el fin de tomar en cuenta la
naturaleza cíclica de las cargas que actúan en los materiales que conforman una
estructura de pavimento, así como el comportamiento no lineal y resiliente de los
materiales, se han realizado en el mundo varios trabajos experimentales, tanto en
modelos a escala natural como en muestras de material probadas en el laboratorio,
obteniéndose valiosa información sobre el comportamiento esfuerzo-deformación de
los materiales.
Entre los factores principales que determinan la deformación permanente se
encuentran: nivel de esfuerzos; número de aplicaciones de carga; tipo y contenido de
asfalto; tipo y contenido de modificadores; características de las partículas; estado
físico del suelo (peso volumétrico y contenido de agua); temperatura, CBR entre
otros. Aunque generalmente una carga simple no genera grietas en el pavimento, las
repeticiones de carga pueden inducir agrietamientos en las capas confinadas. Los
esfuerzos cortantes y de tensión, así como las deformaciones en las capas confinadas
causan la formación de microgrietas. Estas microgrietas acumuladas con la repetición
de cargas pueden generar macrogrietas visibles. Este proceso es llamado fatiga. Por lo
tanto, en el diseño de pavimentos debe considerarse cada uno de dichos factores para
la etapa de análisis de modelos de deterioro.
Efectivamente, bajo un gran número de aplicaciones de carga, los materiales
tienden a fracturarse o bien a acumular deformación, dependiendo de su rigidez
inicial, lo que causa algunos de los deterioros más significativos en la superficie de
rodamiento de los pavimentos. El asfalto es un material que puede ser considerado
elástico lineal a temperaturas bajas y frecuencias de carga altas, pero muestra
propiedades viscosas y plásticas a temperaturas mayores. Debido a este
comportamiento, las cargas repetidas del tránsito generan deformaciones permanentes
en las capas asfálticas, especialmente durante el periodo de verano.
5
No es muy difícil notar que el asfalto a pesar de tener muchas características
positivas para el uso en lo que a vialidad se refiere, este se va deteriorando debido a
diversas situaciones que van maltratando calles y autopistas ya sea por causas
climáticas o factores del tráfico. El uso diario de las carreteras exige el empleo de
materiales de mejores características (ligante con mejores propiedades reológicas y
mecánicas), ya que de no ser así, seguirán existiendo vías con predominio de fallas,
fisuramiento, ahuellamiento y desprendimiento. Una forma racional de abordar estos
fenómenos de falla es mediante el estudio de los ligantes asfálticos como una forma
de predecir el comportamiento de las mezclas frente a estos inconvenientes. Ante esta
situación, se han llevado a cabo diversos experimentos con respecto al uso de agentes
externos que pueden darle al asfalto las propiedades necesarias para competir contra
condiciones adversas.
El mejoramiento de nuestra infraestructura vial ha llevado a buscar en los
últimos años el empleo de diferentes alternativas, las cuales en su mayoría se basan
en el empleo de materiales alternos, que ofrezcan mejores características mecánicas
del pavimento, que conduzcan a extender el tiempo de vida y ayuden a reducir los
costos de mantenimiento surgiendo así la combinación de asfaltos con aditivos. No
obstante que son muchos los aditivos existentes actualmente, el más común es el
polímero. La propuesta de especificación, para el uso de asfaltos modificados,
establece parámetros que guían hacia un óptimo empleo de este tipo de materiales en
la producción de mezclas asfálticas, para su utilización en proyectos de
pavimentación.
Recientemente se ha demostrado que las propiedades reológicas de los asfaltos
pueden ser mejoradas por agregados de diferentes tipos de polímeros. Sin embargo,
dichas propiedades pueden diferir sustancialmente de las del asfalto base,
dependiendo tanto del tipo y cantidad de polímero agregado, como del método de
obtención de la mezcla. Así, la caracterización de sus propiedades viscoelásticas
mediante la aplicación de los criterios utilizados con los asfaltos convencionales
puede no ser adecuada. La modificación del ligante asfáltico con la incorporación de
6
polímero, produce ligantes con extraordinarias características de elasticidad,
adherencia y cohesión.
Ante las situaciones mencionadas, además de apelar a nuevas tecnologías
constructivas y del resto de los materiales, una solución evidente fue mejorar algunas
características de los asfaltos para lograr un mejor comportamiento de los
pavimentos. Ello dio origen a nuevos asfaltos que genéricamente fueron denominados
"Asfaltos Modificados".
La modificación de asfaltos con polímeros de las más diversas variedades y
procedencias es una de las tendencias más importantes de la industria actual de
construcción de carreteras. Los aportes de los polímeros a la mejora de las
propiedades de los asfaltos han sido ampliamente estudiados. Sin embargo, cada vez
que sale al mercado un nuevo producto, es fundamental realizar un análisis
exhaustivo de las mejoras que podría provocar dicho polímero al asfalto.
Los asfaltos modificados con polímeros elevan de dos a tres veces la vida útil
de un pavimento. Está plenamente probado que los asfaltos convencionales poseen
propiedades satisfactorias tanto mecánicas como de adhesión en una amplia gama de
aplicaciones y bajo distintas condiciones climáticas y de tránsito. Sin embargo, el
creciente incremento de volumen del tránsito, la magnitud de las cargas, y la
necesidad de optimizar las inversiones, provoca que, en algunos casos, las
propiedades de los asfaltos convencionales resulten insuficientes. Por ejemplo, con
los asfaltos convencionales, aún con los grados más elevados de dureza, no es posible
eliminar el problema de las deformaciones producidas por el tránsito, especialmente
cuando se deben afrontar condiciones variantes de temperatura. Además, con la
simple adopción de asfaltos elevados en dureza se corren el riesgo de que se
produzcan fisuras por flexión debido a que estas se producen por efectos térmicos
cuando las temperaturas son muy bajas y los pavimentos son más rígidos. Las bajas
temperaturas generan esfuerzos de tensión en el refuerzo debido a la contracción de
éste. El esfuerzo es mayor en la parte superior, debido a que la superficie se enfría
más rápido que el resto del refuerzo. Este esfuerzo es directamente proporcional a la
7
longitud de la losa que está arriba de la junta o grieta e inversamente proporcional al
módulo de rigidez del concreto asfáltico.
Con ciertas mezclas, alternativa generada por razones de confort y seguridad,
con los ligantes convencionales no se alcanzaría una resistencia mecánica suficiente a
causa de una insuficiente cohesión y adhesividad, lo que unido al bajo contenido de
ligante de estas mezclas, podría redundar en una disminución en su durabilidad. Del
mismo modo, las nuevas capas superficiales delgadas serían menos durables cuando
se vean sometidas a altas intensidades de tránsito. EI funcionamiento correcto del
pavimento depende en gran medida de las propiedades mecánicas de los materiales.
Los suelos que conforman la estructura están sujetos a cargas normales repetidas y a
esfuerzos cortantes que varían sus magnitudes con el paso de los vehículos.
Una crítica generalizada es que se ha hecho énfasis en mostrar las ventajas
técnicas de los asfaltos modificados, pero por otro lado se han realizado pocos
estudios que tengan en cuenta la relación costo-beneficio. Los asfaltos modificados
surgen de la inquietud de proveer mejoras a los cementos asfálticos existentes, en sus
propiedades físicas con el fin de desarrollar una gama más amplia de productos, tal
que su aplicación sea más eficaz bajo diferentes condiciones desfavorables.
1.1.1 Formulación del problema
Es importante mencionar, que una vez delimitado el problema a estudiar, se
formula la siguiente interrogante:
¿Cuáles serian las ventajas o desventajas del uso de asfaltos modificados con
polímeros, como solución para la extensión de la vida útil de carreteras?
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general.
Analizar las ventajas y desventajas en el uso de asfaltos modificados con
diversos polímeros, como alternativa para la construcción y conservación de
carreteras.
1.2.2 Objetivo Específicos
Conocer las características de asfaltos modificados con polímeros, de acuerdo a
8
las especificaciones aplicables.
Clasificar la información sobre asfaltos modificados con polímeros.
Identificar ventajas y desventajas que tiene el asfalto modificado con polímeros
respecto al asfalto convencional.
1.3 Justificación
Las carreteras ocupan un lugar muy importante dentro de la infraestructura
debido a que contribuyen al desarrollo del país, por ello es necesario darles el
mantenimiento adecuado para alargar su vida útil. Existen diferentes tratamientos,
entre los que se encuentra: el uso de mezclas asfálticas en caliente y en frío.
Actualmente se quiere introducir en Venezuela el uso de mezcla con asfaltos
modificados, técnica usada en varios países con el fin de aprovechar los asfaltos en la
pavimentación de vías. Ésta técnica consiste en la adición de polímeros a los asfaltos
convencionales con el fin de mejorar sus características mecánicas; es decir, su
resistencia a las deformaciones por factores climatológicos y del tránsito (peso
vehicular); además, incrementar la adherencia en la interfase entre el material pétreo
y el material asfáltico, conservándola aún en presencia del agua. Estas mezclas
aumentan la resistencia a la deformación, a los esfuerzos de tensión repetida y, por lo
tanto a la fatiga, asimismo, reducen el agrietamiento y la susceptibilidad de las capas
asfálticas a las variaciones de temperatura.
Todo lo anterior lleva a la necesidad de profundizar en el conocimiento de los
mecanismos de deformación de los materiales utilizados en carreteras, con la
finalidad de entenderlos y establecer entonces métodos de diseño que incorporen tal
conocimiento a diseños más apegados al comportamiento real de las estructuras de
pavimento, considerando importante evaluar las características físico-mecánicas de
los asfaltos modificados con polímeros y analizar las ventajas y desventajas del uso
de estos, en los asfaltos utilizados para la construcción de carreteras tomando en
cuenta las especificaciones generales para construcción de carreteras y puentes.
1.4 Alcance
Como se mencionó anteriormente, una de las líneas importantes de esta
9
investigación en materiales asfálticos consiste en describir las ventajas y desventajas
del asfalto modificado con polímeros, como alternativa de solución al problema de
vialidad, para que en un futuro se pueda lograr la construcción de vías de
comunicación de mejor calidad y mayor durabilidad.
El estudio del uso de los polímeros para la modificación del asfalto es de mucha
importancia ya que presenta una alternativa de solución para el problema del
pavimento asfáltico en nuestro país, uno de los problemas más comunes a nivel
nacional.
4
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes de la investigación.
Los antecedentes de la investigación son concebidos por Tamayo y Tamayo,
(2006), como una síntesis conceptual de las investigaciones o trabajos realizados
anteriormente sobre el problema formulado (p. 18). Por otra parte, Orozco, Labrador
y Palencia (2002), señalan que la investigación “constituye la puesta al día del tema
de estudio dentro del campo del conocimiento” (p.33).
A su vez en nuestro país Prada, O., Rondón, H., González, G. y Reyes. F.
(2010), realizaron una investigación y publicaron un artículo para la Revista Ciencia e
Ingeniería de la Universidad de los Andes (ULA) titulado “Comportamiento de dos
mezclas asfálticas venezolanas en caliente, modificadas con desecho de
policloruro de vinilo”. Este artículo señala que la utilización de mezclas asfálticas
modificadas, ha sido una técnica ampliamente estudiada y utilizada en el mundo. Con
la adición de polímeros al asfalto se modifican las propiedades mecánicas, químicas y
reológicas de las mezclas asfálticas. Cuando se utiliza esta tecnología se pretende
mejorar el comportamiento que experimentan las mezclas tradicionales cuando son
sometidas a diferentes condiciones de carga y del medio ambiente. En ese estudio se
propone modificar el cemento asfáltico con un polímero del tipo plastomérico,
utilizando un desecho de policloruro de vinilo obtenido durante el proceso de
fabricación del mismo. Este artículo presenta los resultados experimentales de
ensayar dos mezclas asfálticas densas en caliente (tipo M19 y M12 utilizadas como
capas de base y rodadura asfáltica respectivamente de acuerdo al Instituto
Venezolano del Asfalto INVEAS, 2004) modificadas con un desecho de policloruro
de vinilo (PVC) proveniente de Mexichem Resina S.A. (Colombia). El agregado
11
pétreo con que se trabajó fue piedra picada, arena y arrocillo (polvillo), según
especificaciones para mezclas tipo M12 y M19 en Venezuela, provenientes de la
planta de la empresa Asfalto Andes de la ciudad de Mérida, Estado Mérida.
En el estudio se obtuvo un porcentaje óptimo en cuanto a la modificación de
las propiedades mecánicas, químicas y reológicas de las mezclas asfálticas y estos
resultados se compararon y verificaron con los de la norma, para comprobar si
estaban cumpliendo los requisitos mínimos exigidos por la especificación (INVEAS,
2004), confirmándose que indudablemente si cumplan. Como resultado al análisis
realizado se llegó a la conclusión de que las mezclas asfálticas modificadas con
desecho de PVC, experimentan un incremento notable en la resistencia mecánica en
comparación con las mezclas convencionales.
En las figuras 1a y 2a se observa que los valores de estabilidad (E) y relación
entre la estabilidad y el flujo (F) (E/F, denominada por algunos investigadores como
rigidez Marshall y la cual puede ser entendida como una resistencia mecánica
evaluada en el estado de falla de las mezclas, bajo carga monotónica en un ensayo de
tracción indirecta) de las mezclas modificadas M19 son mayores, para cualquier
porcentaje de CA y desecho de PVC, en comparación con la mezcla convencional.
Esta misma tendencia se observa en los valores de E/F de la mezcla modificada
M12 (figura 2b). Sin embargo, para el caso de la estabilidad en este tipo de mezcla, el
incremento sólo se observa cuando se modifica el porcentaje óptimo de Cemento
Asfáltico (CA) (5,5%) o cuando se adiciona desecho de PVC, al 5,0% de CA, en un
contenido superior al 2,0% (figura 1b). Para el caso de las mezclas modificadas M19,
los mayores valores de estabilidad y E/F se obtienen cuando se adiciona 1,5% de
desecho de PVC al porcentaje óptimo de CA de 5,5%. La tendencia general, para los
contenidos de CA utilizados, es incrementar E y E/F cuando se adiciona PVC entre
0,5 – 1,5%. Adiciones superiores del aditivo comienzan a disminuir estos parámetros
mecánicos debido principalmente a que el PVC en estas proporciones disminuye la
capacidad que tiene el CA de adherirse, con el agregado pétreo gráfico 1a y 2a.
12
Gráfico 1. Estabilidad vs. Porcentaje de PVC variando el porcentaje de CA (a) M19 (b) M12.
Gráfico 2. Relación E/F vs. Porcentaje de PVC variando el porcentaje de CA (a) M19 (b) M12
Con los resultados de esta investigación se hace notar que la utilización de
asfaltos modificados representa una gran ventaja, para el rendimiento de los
pavimentos ya que este tipo de agregados le suma características óptimas y de más
durabilidad al asfalto convencional, logrando así un mejor rendimiento de las
construcciones viales.
Wulf, F. (2008), egresado de la Universidad Austral de Chile realizó una
investigación para su trabajo de grado titulado “Análisis de pavimento asfáltico
13
modificado con polímero”. Este trabajo tuvo como objetivo realizar un análisis
comparativo entre el asfalto convencional versus el asfalto modificado con polímeros,
utilizando específicamente el ensayo Marshall. Al analizar los resultados obtenidos de
estabilidad y fluencia de este ensayo se demostró que las mezclas asfálticas
elaboradas con asfaltos modificados, posee un mejor comportamiento que las mezclas
elaboradas con asfalto convencional, tal como se esperaba, ya que la finalidad de
modificar los asfaltos es para mejorar sus propiedades. Los asfaltos modificados con
polímero, tienen una mayor capacidad de mantener su forma bajo las presiones a los
cuales son sometidos debido a su alta estabilidad y puede ser sometido a una carga
máxima mayor que el asfalto tradicional.
El uso de polímeros en los asfaltos ha cambiado las propiedades de la capa
asfáltica; lo cual ha permitido añadir nuevas propiedades a los asfaltos mejorando las
características de los mismos. Cada polímero añadirá una propiedad diferente al
asfalto de acuerdo a la finalidad del pavimento ya que la elección del polímero
depende de las circunstancias tales como tráfico, temperatura, tipo de terreno, etc.
Pero sin embargo ha demostrado tener mejor rendimiento que los asfaltos comunes
aunque su costo es más elevado. El empleo de asfaltos modificados con polímeros
tiene un costo adicional sobre la mezcla asfáltica según Vázquez Idalit (2010) de
hasta un 25%, pero a su vez reduce los costos de mantenimiento.
De igual manera, Avellan, M. (2007), egresado de la Universidad de San Carlos
de Guatemala realizó una investigación titulada “Asfaltos Modificados con
Polímeros”. El objetivo de este trabajo fue evaluar las características de los asfaltos
modificados y su uso para pavimentación de carreteras. Dentro de su análisis se
evaluaron las ventajas, costos y beneficios, que representa el uso de un asfalto
modificado; las propiedades físico-mecánicas de éste y cómo contribuyen a la
reducción de la susceptibilidad térmica del asfalto, haciéndolo más rígido a
temperaturas elevadas y más flexible a bajas temperaturas. Se llevó a cabo una
aplicación de mezcla asfáltica modificada y se comparó con el procedimiento seguido
en la aplicación de mezcla asfáltica convencional. En esta investigación se utilizaron
14
polímeros tipo elastómeros en el diseño de mezcla asfáltica modificada en el tramo
Parramos- Yepocapa debido a que mejoran las propiedades físico-mecánicas del AC-
20, la adición de polímeros elastómeros mejora la resistencia a la deformación
plástica de una mezcla asfáltica. Es importante destacar que dentro de esta
investigación se llegó a la conclusión de que el uso de mezclas modificadas no altera
los procedimientos usados normalmente en los trabajos de pavimentación, pero si
contribuye al rendimiento y duración del mismo.
Por lo anterior, los objetivos que se persiguen con la modificación de los
asfaltos con polímeros, es contar con ligantes más viscosos a temperaturas elevadas
para reducir las deformaciones permanentes, pues los asfaltos modificados presentan
una mayor recuperación de su forma, por lo tanto, menor deformación permanente de
las mezclas que componen las capas de rodamiento y por ende, mayor resistencia.
2.2 Bases teóricas.
Generalidades del Asfalto.
El uso moderno del asfalto para carreteras y construcción de calles comenzó a
finales del siglo pasado, y creció rápidamente con el surgimiento de la industria
automotriz. Desde entonces, la tecnología del asfalto ha dado grandes pasos, hoy día,
los equipos y los procedimientos usados para construir estructuras de pavimentos
asfálticos son bastantes sofisticados. Este capítulo trata sobre el asfalto, desde sus
antecedentes históricos hasta su composición, propiedades, características, etc.
2.2.1 El Asfalto.
El Asfalto es un producto natural o compuesto que proviene de la destilación
seca de productos orgánicos vegetales. Es una mezcla de Betún con productos
materiales inertes tales como Sílice, Arena, Arcilla, etc. El Asfalto se utiliza
principalmente en la pavimentación de vías. Como se explica en el Manual del
Instituto del Asfalto, el asfalto es uno de los componentes ingenieriles más arcaico
utilizado desde los inicios del hombre para la construcción.
Desde la antigüedad hasta hoy en día, el asfalto ha sido utilizado como cemento
para ligar, cubrir o impermeabilizar objetos. Es un material muy versátil, se puede
15
decir que es el material de ingeniería más antiguo utilizado por el hombre. El término
asfalto, se deriva del vocablo acadio asphatu o asphallo, que significa dividirse,
resquebrajarse. Posteriormente, fue adoptado por los griegos como adjetivo cuyo
significado es estable, seguro y al verbo estabilizar o asegurar. De donde se supone
que el primer uso del asfalto en las civilizaciones antiguas es que fue utilizado en
forma de cemento, para asegurar o unir objetos (Jardines Colgantes de Babilonia).
Como vocablo la palabra asfalto del griego pasó al latín, después al francés (asphalte)
y finalmente al inglés (asphalt).
El asfalto posee características tanto químicas como físicas, que son los
elementos que le proveen todas sus particularidades y hacen de éste el producto
esencial que es hoy en la industria de la construcción. Este cementante contiene tres
importantes propiedades químicas: consistencia, pureza y seguridad. De la misma
manera, dentro de su composición química contiene características de aglutinación,
esto debido a su constitución principalmente de asfáltenos y máltenos, que son los
elementos que le proporcionan dichas particularidades; este último define la
capacidad del asfalto para ser manejado a altas temperaturas con seguridad.
Los asfaltos son ligantes que se encuentran de diversas maneras en la
naturaleza o se pueden producir por el hombre a partir del proceso de destilación del
petróleo en una planta de refinación. En la naturaleza se pueden encontrar en estado
puro o con una matriz de agregados pétreos gruesos o finos (menes). Otra posibilidad
de obtener asfalto es a partir de la refinación del petróleo.
Los asfaltos tienen propiedades ligantes y aglutinantes, compuestos en gran
parte por hidrocarburos de consistencia semisólida a temperatura ambiente, pero
pueden ser más fluidos en la medida en que se les incrementa la temperatura (Arenas,
2000).
Los asfaltos naturales, se han producido a partir del petróleo, por un proceso
natural de evaporación de las fracciones volátiles, dejando las fracciones asfálticas
solamente. Estos asfaltos pueden encontrarse como escurrimientos superficiales en
depresiones terrestres, dando origen a los lagos de asfalto conocidos como menes,
16
como los de las islas de Trinidad, Bermudas y en Venezuela en el estado Sucre se
encuentra el Lago de asfalto de Guanoco siendo este el lago de asfalto más grande del
mundo. También aparecen impregnando los poros de algunas rocas, denominándose
rocas asfálticas (Arenas de Athabasca en Canadá). Así también se encuentran
mezclados con elementos minerales, como pueden ser arenas y arcillas en cantidades
variables, debiendo someterse a posteriores procesos de purificación, para luego
poder ser utilizadas en pavimentación. En la actualidad, no es muy utilizado este tipo
de asfalto por cuanto adolece de uniformidad y pureza.
Los asfaltos más utilizados en el mundo hoy en día, son los derivados del
petróleo, los cuales se obtienen por medio de un proceso de destilación industrial del
crudo. Representan más del 90% de la producción total de asfaltos. La mayoría de los
petróleos crudos contienen algo de asfalto y a veces en su totalidad, sin embargo
existen algunos petróleos crudos, que no contienen asfalto. En base a la proporción de
asfalto que poseen, los petróleos se clasifican en:
- Petróleos crudos de base asfáltica.
- Petróleos crudos de base parafínica.
- Petróleos crudos de base mixta (contienen parafina y asfalto).
El asfalto procedente de ciertos crudos ricos en parafina no es apto para fines
viales, por cuanto precipita a temperaturas bajas, formando una segunda fase
discontinua, lo que da como resultado propiedades indeseables, tal como la pérdida
de ductilidad, con los crudos asfálticos esto no sucede, dada su composición.
El petróleo crudo extraído de los pozos (Ver gráfico 3), es sometido a un
proceso de destilación en el cual se separan las fracciones livianas como la nafta y
keroseno de la base asfáltica mediante la vaporización, fraccionamiento y
condensación de las mismas. En consecuencia, el asfalto es obtenido como un
producto residual del proceso anterior. El asfalto es además un material bituminoso
pues contiene betún, el cual es un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono. El
alquitrán obtenido de la destilación destructiva de un carbón graso, también contiene
betún, por lo tanto también es un material bituminoso pero no debe confundirse con
17
el asfalto, ya que sus propiedades difieren considerablemente. El asfalto de petróleo
moderno, tiene las mismas características de durabilidad que el asfalto natural, pero
tiene la importante ventaja adicional de ser refinado hasta una condición uniforme,
libre de materias orgánicas y minerales extraños.
Gráfico 3. Productos y Temperaturas típicas de destilación.
Uno de los aspectos que dificulta el estudio del comportamiento de los asfaltos
es su condición termoplástica, es decir, que al incrementarse la temperatura presenta
las características de un flujo newtoniano, esto es, la velocidad de desplazamiento es
proporcional al esfuerzo de corte aplicado. En este caso la viscosidad es el coeficiente
de proporcionalidad a esa temperatura, o sea, es independiente del tiempo de carga
aplicado. Así mismo, al disminuir la temperatura se comporta como un flujo no
newtoniano, o lo que es igual, como un flujo visco elástico cuando ha sufrido
envejecimiento o se ha sometido a baja temperatura (Arenas, 2000). En este caso la
18
viscosidad depende de los cambios que se producen en el esfuerzo aplicado. Esta
condición se llama “susceptibilidad al corte” o “índice de corte”, el cual aumenta a
medida que el asfalto se envejece.
Otros aspectos que se deben controlar son los del comportamiento y la
viscosidad del asfalto durante la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente,
debido a que se pueden presentar problemas con la temperatura de mezclado.
2.2.2 Obtención del asfalto en refinerías.
El asfalto se obtiene de la refinación por destilación del crudo de petróleo. Es
un proceso en el cual las diferentes fracciones (productos) son separadas fuera del
crudo, por medio de un aumento en etapas de la temperatura. Existen dos procesos de
destilación con los cuales puede ser producido después de haber combinado los
crudos de petróleo:
- Destilación por vacío.
- Extracción con solventes.
Las fracciones livianas se separan por destilación simple. Los destilados más
pesados, mejor conocidos como gasóleos, pueden ser separados solamente mediante
una combinación de calor y vacío. Puede ser producido usando destilación por vacío
a una temperatura aproximada de 480°C (900°F), esta puede variar un poco
dependiendo del crudo de petróleo que se esté refinando, o del grado de asfalto que se
esté produciendo. En el proceso de extracción con solventes, se remueven mas
gasóleos del crudo, dejando así un asfalto residual. Dependiendo del uso, es el tipo de
asfalto. En las refinerías se deben tener maneras de controlar las propiedades de los
asfaltos que se producen para poder cumplir con ciertos requisitos. Esto se logra la
mayor parte de las veces, mezclando varios tipos de crudos de petróleo antes de
procesarlos, para producir grados intermedios. Así un asfalto muy viscoso y uno
menos viscoso, pueden ser combinados para obtener un asfalto con viscosidad
intermedia.
Los asfaltos más usados en son los que provienen de la destilación del petróleo.
Según el origen del petróleo, la composición de la base se divide en:
19
- Base asfáltica.
- Base Intermedia.
- Base Parafínica.
Los asfaltos para caminos provienen de los dos primeros tipos. El crudo de
petróleo es una mezcla de distintos hidrocarburos que incluyen desde gases muy
livianos como el metano hasta compuestos semisólidos muy complejos como son los
componentes del asfalto. Para obtener este deben separarse entonces las distintas
fracciones del crudo de petróleo por destilaciones que se realizan en las refinerías de
petróleo:
Destilación Primaria.
Es la primera operación a que se somete el crudo en una refineria. Consiste en
calentar el crudo en hornos tubulares hasta aproximadamente 375° C. Los
componentes livianos (nafta, kerosén, gas oil), hierven hasta esta temperatura y se
transforman en vapor. La mezcla de vapores y líquido caliente pasa a una columna
fraccionada. El líquido o residuo de destilación primaria se junta todo en el fondo de
la columna y de ahí se bombea a otras unidades de la refinería.
Destilación al Vacío.
Para separar el fondo de la destilación primaria, otra fracción libre de asfáltenos
y la otra con el concentrado de ellos, se recurre comúnmente a la destilación al vacío.
Difiere de la destilación primaria, en que mediante equipos especiales se baja la
presión (aumenta el vacío) en la columna fraccionada, lográndose así que las
fracciones pesadas hiervan a menor temperatura que aquella a la que hervían a la
presión atmosférica. El producto del fondo de la columna, es un residuo asfáltico más
o menos duro a temperatura ambiente, se denomina residuo de vacío. De acuerdo a la
cantidad de vacío que se practica en la Columna de destilación, se obtendrán distintos
cortes de asfaltos que ya pueden ser utilizados como cementos asfálticos.
Desasfaltización con Propano o Butano.
El residuo del vacío obtenido, contiene los asfáltenos dispersos en un aceite muy
pesado, que, a la baja presión (alto vacío) y alta temperatura de la columna de vacío,
20
no hierve (se destila). Una forma de separar el aceite de los asfáltenos es disolver
(extraer) este aceite en gas licuado de petróleo. El proceso se denomina
“desasfaltización” y el aceite muy pesado obtenido se denomina aceite desasfaltizado.
Se utiliza como solvente propano o butano líquido, a presión alta y temperaturas
relativamente moderadas (70 a 120 ° C). El gas licuado extrae el aceite y queda un
residuo semisólido llamado “bitumen”. (Ver figura 1).
Fig.1 Proceso de refinación del petróleo.
2.2.3 Composición del Asfalto.
El asfalto es considerado un sistema coloidal complejo de hidrocarburos, en el
cual es difícil establecer una distinción clara entre fase continua y dispersa. Las
21
primeras experiencias para descubrir su estructura, fueron desarrolladas por
Nellensteyn en 1924, cuyo modelo fue mejorado más tarde por Pfeiffery Saal en
1940, en base a limitados procedimientos analíticos.
Existen varias clasificaciones para los grupos de constituyentes que componen
el asfalto. Una de las más usadas es la que separa el asfalto en:
- Asfáltenos: Son compuestos de alto peso molecular, principalmente de
naturaleza aromática con pocas ramificaciones, se encuentran en sus cadenas de
cantidad apreciables elementos como oxigeno, azufre y nitrógeno. Los asfáltenos le
dan la característica de dureza al asfalto y se encuentran disueltos en los máltenos.
- Máltenos:
a) Resinas: Son moléculas de menor peso molecular, que tienen un mayor
número de ramificaciones en las cadenas. También se observa la presencia de azufre
y nitrógeno en sus cadenas, pero en menor frecuencia.
b) Aceites: Moléculas de peso molecular mucho menor, sus cadenas son menos
ramificadas y con pocos anillos.
Podemos decir que los máltenos están ligados con las propiedades elásticas de
los asfaltos. Observamos que al pasar de los asfáltenos a los aceites, existe una
disminución gradual de componentes aromáticos y un aumento en el carácter
parafínico. En forma general, la presencia de parafina influye en las propiedades
reologicas del asfalto. La estructura cristalina de la parafina sólida ocasiona un
endurecimiento mayor en el asfalto; a temperaturas más elevadas la parafina se licua,
lo que ocasiona una variación sensible en las viscosidades del asfalto. La parafina
disminuye la adhesividad de los asfaltos en los agregados y una elevada cantidad de
ella, puede provocar un envejecimiento prematuro del ligante, influyendo sobre la
duración y tiempo de vida útil del pavimento. (Ver figura 2).
Los asfaltos están compuestos fundamentalmente por asfáltenos que
proporcionan las características estructurales y dureza del asfalto, por resinas que
asumen las propiedades cementantes o aglutinantes, y por aceites que aportan la
consistencia para mejor trabajabilidad.
22
Fig. 2 Composición del asfalto.
2.2.4 Características del Asfalto.
El asfalto es un líquido viscoso constituido esencialmente por hidrocarburos o
sus derivados, las siguientes propiedades de reología físico-mecánicas, mismas son
determinantes para calificar la capacidad de un asfalto:
- Viscosidad: Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando
se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan mayor resistencia a
fluir en comparación de un fluido con baja viscosidad que fluye con facilidad. Es
importante mencionar que la viscosidad es inversamente proporcional a la
temperatura; a mayor temperatura, menor viscosidad.
- Elasticidad: Propiedad que tienen los materiales para recuperar su forma al
finalizar o disminuir la carga que los modifica.
- Resistencia al corte: Es la capacidad de resistencia a altas temperaturas, la
cual se determina con un “reómetro de corte dinámico”, que es el aparato que
imprime una fuerza cortante cosenoidal con la que se miden dichas resistencias.
- Ductilidad: Es la capacidad de disipación de energía que tiene un material
dentro de su rango plástico. La rotura del material es dependiente de la deformación
del mismo. En el caso del asfalto, la ductilidad le permite normalmente tener mejores
propiedades aglomerantes, y los asfaltos con una ductilidad muy elevada son
23
usualmente susceptibles a los cambios de temperatura.
- Consistencia: Se refiere a la dureza del material, la cual depende de la
temperatura. A altas temperaturas se considera el concepto de viscosidad para
definirla.
- Durabilidad: Capacidad para mantener sus propiedades con el paso del
tiempo y la acción de agentes envejecedores.
- Susceptibilidad Térmica: Variación de sus propiedades con la temperatura.
- Pureza: Definición de su composición química y el contenido de impurezas
que posee.
- Seguridad: Capacidad de manejar el asfalto a altas temperaturas sin peligros
de inflamación.
2.2.5 Tipos de Asfalto.
La mayor parte de los asfaltos producidos son utilizados en trabajos de
pavimentación, destinándose una producción menor para aplicaciones industriales,
como impermeabilizante, aislantes, etc. De acuerdo a su aplicación, los asfaltos
podemos clasificarlos en dos grupos:
a) Asfaltos para pavimento.
Cemento Asfáltico.
Asfaltos cortados.
Emulsiones asfálticas.
b) Asfaltos Industriales.
Asfaltos oxidados.
Cemento Asfáltico: Los cementos asfálticos son preparados especialmente
para el uso en la construcción de pavimentos asfálticos. Es un material para su
aplicación en trabajos de pavimentación, pues aparte de sus propiedades aglomerantes
e impermeabilizantes, posee características de flexibilidad, durabilidad y alta
resistencia a la mayoría de los ácidos, sales y álcalis.
Se dividen bajo tres diferentes sistemas, cada uno abarca diferentes grados con
distintos rangos de consistencia.
24
Caracterización por penetración: se aplica la norma ASTM D-946
(Clasificación Estándar por Grado de Penetración para Cementos Asfálticos
Utilizados en Pavimentación). Esta abarca los siguientes grados de penetración:
- 40 – 50
- 60 – 70
- 85 – 100
- 120 – 150
- 200 – 300
Este método se efectúa dejando penetrar una aguja dentro de una muestra de
asfalto bajo una carga dada. La distancia que penetra la aguja en la muestra en un
tiempo determinado es medida en décimas de milímetro (0.1 mm). Un grado 200-
300 indica que la aguja penetró en la muestra, bajo condiciones específicas de 200 a
300 décimas de milímetro. Esta es una indicación de un asfalto “blando”, un grado
40- 50 es indicación de un asfalto “duro”.
Caracterización por viscosidad: se aplica la norma ASTMD-3381
(Clasificación Estándar por Grado de Viscosidad para Cementos Asfalticos Utilizados
en Pavimentación) clasifica los asfaltos en base a su viscosidad absoluta a 60°C. El
poise (P) es la unidad normal de medida. Dependiendo de esta, los asfaltos se
clasifican en:
- AC- 5 (500 ± 100): utilizado en la fabricación de emulsiones asfálticas para
riego de impregnación, riego de liga, en estabilizaciones y en mezclas asfálticas en
caliente.
- AC- 10 (1000 ± 200): utilizado en la fabricación de emulsiones asfálticas
para carpetas y morteros de mezcla en frío.
- AC- 20 (2000 ± 400): utilizado en la fabricación de mezclas en caliente,
emulsiones asfálticas usadas en morteros y carpetas de mezclas en frío.
- AC- 30 (3000 ± 600): utilizado en la fabricación de mezclas en caliente,
emulsiones para carpetas y mezclas en frío.
Caracterización por comportamiento: este sistema fue elaborado por el
25
Instituto de Asfalto de Estados Unidos y propuesto en el programa SHRP (Strategic
Highway Research Program), aunque también está incluido en la norma ASTM D-
6373 (Especificación Estándar por Grado de Comportamiento) incluye el
conocimiento de las temperaturas máximas y mínimas del pavimento en función de la
temperatura del aire y la latitud geográfica. La ventaja de este sistema es que predice
como se va a comportar el asfalto al envejecer. Se puede envejecer el asfalto a corto y
largo plazo, posteriormente se mide su viscosidad.
Asfaltos cortados: los asfaltos cortados, también conocidos como asfaltos
diluidos o cut-baks, resultan de la ductilidad del cemento asfáltico con destilados del
petróleo. Los diluyentes utilizados funcionan como vehículos, resultando productos
menos viscosos que pueden ser aplicados con temperaturas más bajas.
De acuerdo con el tiempo de curado determinado por la naturaleza del diluyente
utilizado, los asfaltos cortados se clasifican en:
- Asfalto de curado rápido (RC): asfalto diluido, compuesto de cemento
asfáltico y un disolvente tipo nafta o gasolina de alta volatilidad.
- Asfalto de curado medio (MC): asfalto diluido, compuesto de cemento
asfáltico y un disolvente como la kerosina de media volatilidad.
- Asfalto de curado lento (SC): asfalto diluido, compuesto de cemento
asfáltico y aceites pesados de baja volatilidad.
Sigla normalmente seguida de un número que indica su grado de viscosidad por
ejemplo;
El MC-30 es un asfalto cortado de curado medio, color negro y estado normal
líquido, Consiste en un asfalto diluido en solventes, de uso en frío. La consistencia de
este producto permite riegos homogéneos sobre la superficie a aplicar.
Emulsiones asfálticas: son dispersiones de cemento asfáltico en fase acuosa,
con estabilidad variable. El tiempo de quiebre y de viscosidad de las emulsiones
dependen, entre otros factores, de la cantidad y calidad de los agentes emulsificantes.
La cantidad de emulsificantes y aditivos químicos utilizados varía generalmente de
0.2% a 5% y la cantidad de asfalto es del orden del 95%.
26
El color de las emulsiones asfálticas antes del quiebre es marrón y después del
quiebre negro, constituyendo esta característica un elemento auxiliar para la
inspección visual y constatación rápida de la buena condición del producto. Las
partículas de asfalto dispersas en la emulsión son visibles al microscopio variando de
su tamaño de 0.1 a 10 micrones.
Las emulsiones asfálticas se clasifican según el tipo de carga de la partícula y
tiempo de quiebre.
En cuanto a la carga de partícula, pueden ser:
- Emulsión aniónica: los glóbulos de asfalto están cargados negativamente.
- Emulsión catiónica: los glóbulos de asfalto están cargados positivamente.
Y en cuanto al tipo de quiebre:
- Quiebre rápido.
- Quiebre medio.
- Quiebre lento.
Asfaltos oxidados: los asfaltos oxidados o soplados, son asfaltos calentados y
sometidos a la acción de una corriente de aire con el objeto de modificar sus
características normales, a fin de adaptarlos para aplicaciones especiales. Como
asfaltos impermeabilizantes, película protectora, etc. El proceso de oxidación produce
en el asfalto las siguientes modificaciones físicas principales:
- Aumento de peso específico y consistencia.
- Disminución de ductilidad.
- Disminución de susceptibilidad térmica.
En cuanto a la composición química elemental del asfalto, los procesos de
oxidación producen aumento en contenido de carbono y una correspondiente
disminución de hidrógeno.
2.2.6 Función del asfalto en los Pavimentos.
Entre muchas otras, dos son las funciones más importantes ejercidas por el
asfalto en un pavimento: Aglomerante e Impermeabilizante.
Como aglomerante proporciona una intima ligazón entre los agregados, capaz
27
de resistir la acción mecánica producidas por las cargas de los vehículos. Como
impermeabilizante garantiza al pavimento una acción eficaz contra la penetración del
agua proveniente, tanto de las precipitaciones como del subsuelo por acción capilar.
Ningún otro material garantiza mejor que el asfalto una ejecución económica y
simultánea de estas funciones; al mismo tiempo proporciona al pavimento
características de flexibilidad que permite su acomodo sin fisuramiento, ante una
eventual consolidación de las capas subyacentes. Naturalmente, para que el asfalto
desempeñe satisfactoriamente estas funciones que le son inherentes, es necesario que
sea de buena calidad, y por sobre todo, que en la ejecución del pavimento se respeten
todas las especificaciones establecidas en el diseño.
2.2.7 Asfalto Modificado con Polímeros.
Haciendo un poco de historia, los asfaltos modificados se utilizaron primero en
las emulsiones para impermeabilizantes y después se empezaron a utilizar en la
pavimentación; en riegos como tratamientos superficiales en frío, y posteriormente se
empezó a modificar el cemento asfáltico para utilizarse cuando se requería un asfalto
de mejor calidad o mayor resistencia que la que ofrecía un cemento asfáltico normal.
2.2.8 Definición de Polímero.
Los polímeros son sustancias de alto peso molecular formada por la unión de
cientos de miles de moléculas pequeñas llamadas monómeros (compuestos químicos
con moléculas simples). Se forman así moléculas gigantes que toman formas
diversas: cadenas en forma de escalera, cadenas unidas o termo fijas que no pueden
ablandarse al ser calentadas, cadenas largas y sueltas.
Algunos modificadores poliméricos que han dado buenos resultados, se listan a
continuación:
- Homopolímeros: que tienen una sola unidad estructural (monómero).
- Copolímeros: Tienen varias unidades estructurales distintas (EVA, SBS).
- Elastómeros: Al estirarlos se sobrepasa la tensión de fluencia, no volviendo a
su longitud original al cesar la solicitación. Tiene deformaciones seudo plásticas con
poca elasticidad.
28
2.2.9 Elaboración de los polímeros.
La utilización comercial de un nuevo producto como el caso de los polímeros
depende del costo y sus propiedades. El costo, depende básicamente de su proceso de
polimerización y la disponibilidad de los monómeros. Así, las principales fuentes de
materia prima para la producción de monómeros son:
- Productos Naturales.
- Hulla o Carbón -Mineral.
- Petróleo.
Productos naturales: La primera macromolécula modificada fue la celulosa, la
cual se encuentra en la mayoría de los vegetales y presenta una estructura química
constituida por unidades de glucosa enlazadas por átomos de oxigeno formando
largas cadenas. Cuando son eliminados los grupos hidroxilos por diferentes
reacciones, se obtienen derivados de la celulosa. Cuando esta reacciona con ácido
nítrico da origen a la nitrocelulosa, de igual forma se puede obtener el acetato de
celulosa.
De todos los productos naturales, el petróleo es el más importante. A través de
la destilación fraccionada del crudo, se pueden obtener varios productos (naftas,
gasolina, kerosina, diesel, grasas parafinitas, aceites lubricantes, etc.). La fracción de
donde se obtienen los polímeros es la nafta, la cual al ser procesada genera varias
partes gaseosas con moléculas saturadas e insaturadas. Las moléculas insaturadas
(etileno, propileno, butadieno, butano, isobutileno) son separadas y aprovechadas
para la producción de polímeros.
Hulla o carbón mineral: al ser sometida a un proceso de destilación en seco,
se pueden obtener gas de hulla, amonio, alquitrán de hulla o coque. Del gas de hulla
es posible separar el etileno (para posteriormente producir polietileno), metano (que
por medio de oxidación produce formaldehído, materia básica para la formación de
resinas de tipo fenol- formaldehído, ureaformaldehído) y finalmente, el amonio que
es utilizado para producir urea y aminas para resinas epóxicas. El alquitrán de hulla es
una mezcla compleja que por destilación produce benceno (utilizado para producir
29
fenol y estireno).
Del coque se obtiene acetileno, el cual por hidrogenación produce etileno
y este reacciona con acido clorhídrico produciendo cloruro de vinilo.
2.2.10 Producción de los polímeros.
Los polímeros al igual que muchos materiales, se obtienen a partir de materia
prima en plantas especializadas. El proceso para producir un polímero es llamado
polimerización, existen dos tipos:
Polimerización en cadena: el material inicial para la polimerización en
cadena con frecuencia es un monómero, en el que hay un enlace doble que se puede
abrir con la ayuda de un compuesto llamado iniciador (sustancia orgánica o
inorgánica o también puede ser un catalizador que no se consume en la reacción). Se
lleva a cabo utilizando temperatura elevada y presión baja, este proceso es conocido
también como polimerización por adición.
Las estructuras más frecuentes para llevar a cabo este tipo de reacción son los
hidrocarburos, en los que el carbono y el hidrogeno pueden formar cadenas rectas
(hidrocarburos alifáticos) y anillos de benceno (hidrocarburos aromáticos).
Polímeros de reacciones por pasos: en este caso se unen dos monómeros
en grupos cortos que crecen gradualmente, pero también se libera un derivado de bajo
peso molecular, por ello se le llama también reacción por condensación. En estos
polímeros, la longitud promedio de la partícula es controlada cuando se lleva a cabo
la reacción, esto significa que el grado de polimerización o número de polímeros es
controlado.
2.2.11 Clasificación de los polímeros.
Existen tres formas de clasificar los polímeros:
- Por su estructura química.
- Por su comportamiento mecánico.
- Por su desempeño mecánico.
Clasificación por su estructura química: esta analiza un polímero en cuanto a
la estructura del monomero. Existen de cadena carbónica y de cadena heterogénea.
30
Polímeros de cadena carbónica:
- Poliolefinas.
- Polímeros de tipo dienos.
- Polímeros de tipo estirénicos.
- Polímeros de tipo cloruros.
- Polímeros de tipo fluoruros.
- Polímeros de tipo acrílicos.
- Esteres polivinílicos.
- Poli (fenol- formaldehído).
Polímeros de cadena heterogénea:
- Poliéteres.
- Poliésteres.
- Policarbonato.
- Poliamidas.
- Poliuretanos.
- Aminoplásticos.
- Celulósicos.
- Siliconas.
Clasificación por su comportamiento mecánico.
Los polímeros pueden ser clasificados por su comportamiento mecánico en:
Plásticos: son materiales poliméricos sólidos a temperatura ambiente. Existen
dos tipos:
- Termoplásticos.
- Termorígidos: a este grupo pertenecen los plastómeros.
Elastómeros: son deformables a temperatura ambiente, al aplicarle un esfuerzo
son comprimibles, pero recobran su forma original al ser retirado este. La flexibilidad
de los elastómeros se debe a cadenas flexibles, las cuales se amarran unas con otras.
Entre las principales propiedades de los elastómeros se pueden mencionar:
- Aceptan grandes deformaciones, manteniendo su modulo de elasticidad y
31
resistencia mecánica una vez deformados. Una vez retirado el esfuerzo, se recuperan
totalmente de la deformación.
Fibras: en este grupo se encuentran el Nylon, poliéster, etc.
Clasificación por su desempeño mecánico.
Se basa en cuanto al desempeño mecánico cuando son utilizados para diferentes
funciones. Existen los siguientes tipos:
- Termoplásticos convencionales.
- Termoplásticos especiales.
- Termoplásticos de ingeniería.
- Termoplásticos de ingeniería especiales.
2.2.12 Polímeros utilizados en la modificación de asfaltos.
Actualmente los cementos asfálticos son modificados con elastómeros, SBR y
SBS, o con plastómeros (EVA), los nombres completos para estos compuestos son
los siguientes: Acetato de Etil-vinilo (EVA), Estireno-Butadieno- Latex (SBR) y
Estireno-Butadieno-Estireno (SBS).
A continuación se presenta un resumen de las propiedades de estos compuestos.
- Acetato de etilo: líquido inflamable, incoloro con olor característico a frutas,
su punto de ebullición es de 77°C (171 ºF). Es incompatible y reacciona con los
oxidantes, catalizadores para polímeros de viníl, peróxidos, ácidos fuertes, cloruro de
aluminio. Puede polimerizarse si es contaminado o sujeto a calentamiento.
- Acetato de vinilo: líquido incoloro, con olor característico a frutas,
inflamable. Es incompatible y reacciona con los oxidantes, ácidos, bases, sílica gel,
alumina, azocompuestos, ozono. Su punto de ebullición es de 72°C (162 ºF) y su
punto de inflamación es de 492.78°C (919.01 ºF). Puede polimerizarse si es
contaminado.
- Estireno: líquido incoloro a amarillo, aceitoso. Puede formar peróxidos en
circunstancias específicas, iniciando una polimerización explosiva. La sustancia se
puede polimerizar debido al calentamiento suave bajo la influencia de la luz, con
peligro de incendio o explosión. Reacciona fácilmente con oxidantes fuertes, arriba
32
de 31 °C (88°F) puede formar mezclas explosivas vapor / aire. Tiene un punto de
ebullición de 145 ºC (293°F), su densidad relativa es de 0.9 mg/ml, su temperatura de
auto ignición es de 490 ºC (914°F).
- Butadieno: gas licuado comprimido, incoloro, su punto de ebullición es de -
4 °C (24.8°F), su punto de fusión es de –109 °C (– 164°F). Extremadamente
inflamable. La sustancia puede formar peróxidos en circunstancias específicas,
iniciando una polimerización explosiva, puede polimerizarse debido al calentamiento
suave bajo la influencia de la luz, con peligro de incendio o explosión. Se
descompone con explosión por calentamiento rápido a presión. Reacciona
vigorosamente con oxidantes y otras muchas sustancias, originando peligro de
incendio y explosión. Ataca al cobre y sus aleaciones.
2.2.13 Asfalto modificado.
En lo que concierne al aspecto histórico de la modificación de ligantes
hidrocarbonatos con polímeros, la idea de modificar asfalto con polímeros se remonta
a 1960 en Europa (Italia, Francia y Alemania), donde se llevaron a cabo los primeros
proyectos de prueba. En esta época en Estados Unidos también surgió la inquietud
llevándose a cabo los primeros proyectos de construcción utilizando asfaltos con
polimeros en 1960. En Italia se construyeron más de 1000 Km. de carreteras con este
tipo de asfalto, poniendo capas de rodamiento con asfaltos modificados con
polímeros ya sea base seca o látex.
Para llevar a cabo la modificación de asfalto, se debe conocer la compatibilidad
de este con el modificador para que coexistan como sistema, es decir debe ser
miscible, lo que indica que se ha producido una mezcla monofásica. La
inmiscibilidad se traduce en la aparición de una segunda fase. Un polímero es
compatible con el asfalto cuando la heterogeneidad de la mezcla no se puede apreciar
por un examen visual.
Los asfaltos más ricos en fracciones aromáticas y resinas serán los más
compatibles, ya que estas fracciones son las que permiten que el polímero se disuelva.
Los asfaltos menos compatibles son los más ricos en asfaltenos y saturados.
33
Los materiales asfálticos modificados, son el producto de la disolución o
incorporación en el asfalto de un polímero o de hule molido de neumáticos, que son
sustancias estables en el tiempo y a cambios de temperatura, que se les añaden al
material asfáltico para modificar sus propiedades físicas y reológicas, y disminuir su
susceptibilidad a la temperatura y a la humedad, así como a la oxidación. Los
modificadores producen una actividad superficial iónica, que incrementa la
adherencia en la interfase entre el material pétreo y el material asfáltico,
conservándola aún en presencia del agua. También aumentan la resistencia de las
mezclas asfálticas a la deformación y a los esfuerzos de tensión repetidos y por lo
tanto a la fatiga y reducen el agrietamiento, así como la susceptibilidad de las capas
asfálticas a las variaciones de temperatura. Estos modificadores por lo general se
aplican directamente al material asfáltico, antes de mezclarlo con el material pétreo.
2.2.14 Compatibilidad asfalto- polímero.
El comportamiento del asfalto depende básicamente de tres factores:
- Temperatura.
- Tiempo de carga.
- Envejecimiento.
A altas temperaturas y bajo cargas sostenidas, el asfalto se comporta como un
líquido viscoso, es una mezcla plástica la cual provoca ahuellamiento. A bajas
temperaturas y bajo cargas rápidas se vuelve frágil, ocasionando grietas transversales
y agrietamiento térmico.
El objetivo perseguido con la adición de polímeros al asfalto es el de mejorar su
reología, buscando:
- Disminuir la susceptibilidad térmica. Disminuir la fragilidad en climas fríos
y aumentar la cohesión en tiempos de calor.
- Disminuir la susceptibilidad a los tiempos de aplicación de carga.
- Aumentar la resistencia a la deformación permanente y a la rotura en un
rango más amplio de temperaturas, tensiones y tiempo de carga.
- Mejorar la adherencia del asfalto a los agregados.
34
2.2.15 Principales modificadores utilizados en el Asfalto.
Desde hace bastante tiempo se emplea caucho como modificador, ya sea natural
o sintético, con tasas no superior al 5 %. Actualmente existen los polímeros
sintéticos de formulación especial que resultan muy competitivos. Asfaltos
modificados con estos polímeros han sido ensayados en pavimentos de varios países.
Los principales modificadores utilizados en los materiales asfálticos son:
- Elastómeros: son polímeros de respuesta elástica (caucho, SBS, SBR).
- Plastómeros: rigidizan el asfalto ofreciendo resistencia, como consecuencia
no son deformables elásticamente (PVC, EVA).
Asfaltos modificados con polímeros tipo elastómeros
Se requiere mezclar tres componentes: asfalto, resina base y un endurecedor, lo
que complica la modificación ya que debe existir compatibilidad entre estos. Los
asfaltos modificados tienen una elevada resistencia mecánica, gran resistencia a la
tracción, buen poder humectante y adhesión a los agregados. Si el trabajo con este
tipo de asfalto es realizado dentro de los parámetros correctos, su tiempo de vida está
condicionado por la vida del agregado, no por el asfalto; en otras palabras el
pavimento se deteriora por trituración o abrasión del agregado antes que por la falla
del ligante (asfalto). Su resistencia al envejecimiento es excelente. Son empleados
para casos específicos como:
- Zonas de frenado intenso, donde se requiere una gran resistencia al derrapaje.
- Zonas donde se requiere resistir a las maniobras o a los agentes químicos.
- Zonas donde se requiere mantener una buena rugosidad (Ver figura 3) durante
largos periodos de tiempo.
Fig. 3 Polímeros tipo elastómeros
35
- Latex, hule natural, SBS, SBR: este tipo de polímero (Ver figura 4 y 5) es el
más utilizado en la modificación del asfalto, el efecto de la adición de estos al asfalto
es aumentar su intervalo de plasticidad y disminuir la susceptibilidad térmica. El
punto de ablandamiento puede aumentar hasta 20°C, a temperaturas inferiores a 70°C
los asfaltos tienen menor penetración, esto es interesante ya que a estas temperaturas
se dan deformaciones en las superficies de rodamiento.
Fig.4 SBS Fig.5 SBS procesado
Los asfaltos son más duros pero siguen siendo elásticos, lo cual evita la
formación de roderas y el agrietamiento de las mismas. La rigidez de estos asfaltos
ayuda a soportar los largos tiempos de carga sin deformaciones. Entre -10°C y +
10°C el elastómero proporciona al asfalto mayor elasticidad sin aumentar la rigidez.
Hule de llanta: las propiedades que adquiere el asfalto al añadirle este tipo de
hule son similares a las que se obtienen con el polímero SBR o SBS aunque, se deben
utilizar dosificaciones más elevadas. Las llantas para ser utilizadas como agentes
modificadores de asfalto requieren de un proceso físico para reducir sus dimensiones,
el cual suele ser complejo. (Ver figura 6).
Fig.6 Hule de llanta triturado.
36
Estos asfaltos modificados presentan altas viscosidades por lo que se requiere el
empleo de algún fluidificante, alrededor del 6% de queroseno. Son usados
principalmente en riegos de sello destinados a absorber las grietas debidas a
contracciones y dilataciones, estos riegos son llamados SAM (membranas de
absorción de tensiones).
Asfaltos modificados con polímeros tipo plastómeros: Debido a la forma en
que estos polímeros se incorporan al asfalto aumentan de forma considerable su
viscosidad, incluso en bajas dosificaciones. Si se aumenta la concentración del
polímero (Ver figura 7), se llega a un punto en el cual la mayoría de los aceites están
asociados con el polímero y se produce un cambio drástico en las propiedades físicas
del asfalto. Estas se acercan más a las propiedades del polímero que a las del asfalto.
Esto sucede cuando el contenido del polímero va de 8 – 10%, en este punto, el asfalto
aumenta el intervalo de plasticidad, aumenta la resistencia a la ruptura, disminuye su
sensibilidad térmica sobre todo en el intervalo de temperaturas de aplicación.
Fig. 7 Plástomeros
Polietileno: este polímero no tiene una alta compatibilidad con el asfalto ni le
confiere propiedades espectaculares, pero se usa ya que es un componente de bajo
costo y soluciona un problema ecológico, al poder disponer de los desechos de este
material en las carreteras. (Ver figura 8)
37
Fig. 8 Polietileno
Los asfaltos modificados con este tipo de polímero termoplástico cuando son
añadidos en bajas proporciones, poseen las siguientes propiedades:
- Buena resistencia al calor.
- Buena resistencia al envejecimiento.
- Baja viscosidad.
En el plano mecánico:
- La resistencia Marshall aumenta de 2 a 2.5 veces a 25°C mientras que a 0°C
y -2.5°C es prácticamente igual a la de un asfalto convencional.
- Buena flexibilidad a baja temperatura.
- Cuando es utilizado en concentraciones de 7% aumenta la rigidez del asfalto
a temperaturas elevadas.
- Buena resistencia a deformaciones permanentes.
PVC: este polímero tiene baja compatibilidad con el asfalto, no es resistente al
calor y se descompone por la acción de la luz solar es por esto que no es utilizado
para la modificación de asfalto. Resiste muy bien al agua y/o agentes químicos. (Ver
figura 9)
Fig. 9. Polímeros tipo PCV
38
EVA: los polímeros o resinas Etilo-Vinil-Acetato son relativamente nuevos en
la modificación de asfaltos, son muy compatibles con estos. La relación acetato de
vinilo/ etileno es muy importante, pudiéndose variar el contenido de acetato de vinilo
de algún % hasta 50% o incluso más. Cuando los contenidos de acetato de vinilo son
bajos, las propiedades se asemejan a las de los asfaltos mencionados anteriormente.
Un polímero EVA con un contenido del 18% de acetato de vinilo es el más
adecuado para ser usado en la construcción de carreteras. Cuando se aumenta la
concentración de acetato de vinilo en el polímero (15 a 30%), adquiere un excelente
poder adherente. Los asfaltos modificados con EVA poseen las siguientes
características:
- Buena estabilidad térmica a un costo razonable.
- Las dosificaciones de polímero oscilan entre el 2 hasta un 10% dependiendo
de las propiedades que se pretende obtener.
- La temperatura de ablandamiento aumenta entre 6 y 12°C.
- Excelente resistencia al resquebrajamiento en flexión es decir a las fatigas
provocadas por las flexiones o vibraciones repetidas.
- Aumentan la cohesión de las mezclas a medida que se aumenta el contenido
del polímero.
Fig 10. Polímeros tipo EVA
2.2.16 ¿Por qué se modifican los asfaltos?
Está plenamente probado que los asfaltos convencionales poseen propiedades
satisfactorias tanto mecánicas como de adhesión en una gama amplia de aplicaciones
39
y bajo distintas condiciones climáticas y de tránsito. Sin embargo en la actualidad los
grandes volúmenes de tráfico, los criterios de diseño vehicular y el exceso de carga,
así como el incremento en la presión de inflado de las llantas y condiciones
climáticas, hacen que utilizar asfaltos convencionales en la construcción de carreteras
actualmente no satisfagan sus expectativas tal como cumplir un determinado periodo
de servicio, es decir, menor resistencia al envejecimiento, la poca durabilidad de un
camino reflejándose en deformaciones y fisuras dentro de una carpeta asfáltica. Sin
embargo estos problemas son causados además por la selección de materiales en los
diseños, mal proceso de construcción, mantenimiento y por la baja calidad del ligante
y la necesidad de optimizar las inversiones, provoca que algunos casos, las
propiedades de los asfaltos convencionales resulten insuficientes.
Por ejemplo con asfaltos convencionales, aún con los grados más elevados en
dureza no es posible eliminar el problema de las deformaciones producidas por el
tránsito, especialmente cuando se afrontan condiciones de temperatura alta. Además
con asfaltos con mayor dureza se corre el riesgo de la formación de agrietamientos
por efectos térmicos cuando las temperaturas son muy bajas.
Una solución evidente fue mejorar las características de los asfaltos, para
mejorar su comportamiento en los pavimentos; ello dio origen a nuevos asfaltos que
fueron denominados “Asfaltos Modificados”.
2.2.17 Modificación del Asfalto.
La modificación del asfalto es una nueva técnica utilizada para el
aprovechamiento efectivo de asfaltos en la pavimentación de vías carreteras. Esta
técnica consiste en la adición de polímeros a los asfaltos convencionales con el fin de
mejorar sus características mecánicas, es decir, su resistencia a las deformaciones por
factores climatológicos y del tránsito (peso vehicular).
Los objetivos que se persiguen con la modificación de los asfaltos con
polímeros, es contar con ligantes más viscosos a temperaturas elevadas para reducir
las deformaciones permanentes, de las mezclas que componen las capas o superficie
de rodamiento, aumentando la rigidez. Por otro lado disminuir el fisuramiento por
40
efecto térmico a bajas temperaturas y por fatiga, aumentando su elasticidad.
Finalmente contar con un ligante de mejores características adhesivas.
2.2.18 Estructura de los Asfaltos Modificados.
Los asfaltos modificados con polímeros están constituidos por dos fases, una
formada por pequeñas partículas de polímero hinchado y otra por asfalto. En las
composiciones de baja concentración de polímeros existe una matriz continua de
asfalto en la que se encuentra disperso el polímero; pero si se aumenta la proporción
de polímero en el asfalto se produce una inversión de fases, estando la fase continua
constituida por el polímero hinchado y la fase discontinua corresponde al asfalto que
se encuentra disperso en ella. Está micro morfología bifásica y las interacciones
existentes entre las moléculas del polímero y los componentes del asfalto parecen ser
la causa del cambio de propiedades que experimentan los asfaltos modificados con
polímeros.
El efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación
viscosidad – temperatura (sobre todo en el rango de temperaturas de servicio de las
mezclas asfálticas) permitiendo mejorar de esta manera el comportamiento del asfalto
tanto a bajas como a altas temperaturas.
2.2.19 Compatibilidad de los Polímeros.
Para que los asfaltos modificados con polímeros consigan prestaciones óptimas,
hay que seleccionar cuidadosamente el asfalto base (es necesario que los polímeros
sean compatibles con el material asfáltico), el tipo de polímero, la dosificación, la
elaboración y las condiciones de almacenaje. Cada polímero tiene un tamaño de
partícula de dispersión óptima para mejorar las propiedades reológicas, donde por
encima de ésta, el polímero sólo actúa como un filler (mineral como: cemento, cal,
talco, sílice, etc.); y por debajo de ésta, pasan a estar muy solubilizados y aumentan la
viscosidad, sin mejorar la elasticidad y la resistencia.
Si un polímero se añade a dos diferentes asfaltos, las propiedades físicas de los
productos finales, pueden ser muy diferentes. Para mayor efectividad, el polímero
debe crear una red continua de trabajo en el asfalto; para que esto ocurra, la química
41
del polímero y del asfalto necesita ser compatible.
Los polímeros compatibles producen rápidamente un asfalto estable, usando
técnicas convencionales de preparación. Estos sistemas convencionales de
preparación de asfaltos modificados con polímeros son grandes recipientes de
mezclado con paletas agitadoras a velocidades lentas, o recipientes especiales que
favorecen la recirculación con agitadores mecánicos de corte de gran velocidad. El
polímero puede venir en polvo, en forma de pequeñas bolitas o en grandes panes. La
temperatura de mezclado depende del tipo de polímero utilizado.
En las microfotografías mostradas en la figura 11 muestran polímeros tipo SB o
SBS en diferentes asfaltos (lo blanco es polímero y lo negro es asfalto). Las dos
primeras presentan una red continua de polímero, teniendo una estructura estable que
no se separa, tomando ventaja de las propiedades elásticas del polímero. Las dos
siguientes no están en red, separadas durante el almacenaje, y por tanto, no tendrán el
mismo incremento benéfico sobre las distintas propiedades. (Ver figura 11).
Fig. 11. Microfotografías (Emulsiones Asfálticas, Gustavo Rivera E).
Algunos productores de asfalto polimerizado utilizan procesos especiales para
lograr compatibilidad entre el polímero y el asfalto. Cuando la tecnología es
apropiada, las propiedades del ligante pueden reducir el efecto de las roderas, el
42
desprendimiento de pétreos el agrietamiento térmico o fluencia de la mezcla, así
como el incremento en la vida útil del pavimento, debido a una mayor estabilidad y
resistencia a la fatiga.
2.2.20 Técnicas para modificar Asfaltos.
Cuando se añaden polímeros al asfalto, las propiedades del asfalto modificado
dependen de los siguientes parámetros:
- Tipo de polímero a emplearse ya sean elastómeros o plástomeros.
- Su forma física.
- Naturaleza y grado de asfalto.
- Tipo de equipo.
- Tiempo y temperatura durante el mezclado.
- La compatibilidad Asfalto - Polímero.
Se mencionan de manera general las etapas importantes del proceso de
modificación;
Para tipo I. SBS:
Etapa 1. Evaluar el asfalto base.
Etapa 2. Incrementar la temperatura del asfalto.
Etapa 3. Proceso de molienda y/o homogeneización asfalto - polímero. Se requiere de
un molido de alto corte.
Etapa 4. Controlar la calidad a través de microscopía óptica.
Etapa 5. Finalización de la reacción. Control de calidad realizando corrida de pruebas
físicas para asfaltos modificados después de 24 horas de reacción.
Las temperaturas específicas para este tipo de mezclado oscilan de 180° C a
190° C. Y el tiempo de mezclado varía dependiendo de la dispersión del polímero
para la modificación adecuada.
Para tipo II. Látex SBR.
La operación de modificación se lleva a cabo a una temperatura de 160° C a
170° C. La adición del látex se realiza mediante una bomba de diafragma que puede
ser adicionada mediante aire o motor eléctrico. El tiempo de agitación depende del
43
equipo empleado. Los tiempos normales para todo el proceso del látex y mezclado
oscilan entre 1.5 y 2 horas.
Para tipo III. EVA.
En esta no se requiere un molino, solamente es con agitación y temperatura, en
un tiempo corto el polímero se funde y se incorpora al asfalto. Por lo regular son 2
horas a 180° C, el control de calidad se observa mediante la prueba visual para
polímeros del tipo III.
2.2.21 Comportamiento asfalto convencional con respecto al Asfalto modificado.
Según lo que se muestra en la gráfica 4, el objetivo perseguido con la adición
de polímeros al asfalto es el de mejorar su reología, buscando:
- Disminuir la susceptibilidad térmica. Disminuir la fragilidad en climas fríos
y aumentar la cohesión en tiempos de calor.
- Disminuir la susceptibilidad a los tiempos de aplicación de carga.
- Aumentar la resistencia a la deformación permanente y a la rotura en un
rango más amplio de temperaturas, tensiones y tiempo de carga.
- Mejorar la adherencia a los agregados. (Ver gráfico 4).
Gráfico 4. Comportamiento del asfalto convencional respecto al Asfalto modificado.
Fuente: Introducción a la Reología de los Asfaltos Modificados. Ing. German Garzon Costa Rica, 2004.
44
2.2.22 Cambio de Propiedades en el ligante asfáltico.
El objetivo perseguido con las adiciones de polímero en el asfalto, es cambiar
las propiedades físicas y reológicas del ligante, buscando:
- Aumenta la viscosidad, dependiendo de la cantidad y tipo de polímero.
- Disminuye la penetración.
- Aumenta el punto de reblandecimiento del asfalto entre 8 y 12 grados.
- Aumenta el punto de inflamación.
- Disminuye la susceptibilidad a las variaciones de temperatura.
- Sube entre uno y dos grados la clasificación PG (Penetración Grade ó Grado
de Penetración) del asfalto.
- Eleva la recuperación elástica del asfalto hasta arriba del 30%.
- Eleva la resiliencia por encima de 25.
- Amplio rango de temperatura en el manejo y almacenamiento.
- Mayor intervalo de plasticidad.
- Mayor cohesión.
- Mayor resistencia a la acción del agua.
- Mayor resistencia al envejecimiento.
Las propiedades que estos imparten dependen de los siguientes factores:
- Tipo y composición del polímero incorporado.
- Características y estructura coloidal del asfalto base.
- Proporción relativa del asfalto base.
2.2.23 Proceso Constructivo del Asfalto Modificado.
Una vez elegido el tipo de polímero a utilizar según las características que se
desean lograr en la modificación del asfalto, sus propiedades físicas y reológicas o
disminuir su susceptibilidad a la temperatura y a la humedad, así como a la oxidación
es necesario que los polímeros sean compatibles con el material asfáltico.
Para lograr una eficaz modificación del asfalto se deben seguir una serie de
pasos presentados a continuación:
45
2.2.24 Diseño de mezcla asfáltica.
El objetivo principal del diseño de mezclas asfálticas de pavimentación,
consiste en determinar una combinación y graduación económica de asfalto y
agregados (dentro de los límites de las especificaciones del proyecto) que produzcan
una mezcla con:
- Suficiente asfalto para proporcionar un pavimento durable.
46
- Buena estabilidad para satisfacer las demandas de tránsito sin producir
deformaciones o desplazamientos.
- Suficiente trabajabilidad para evitar la segregación al momento de la
colocación.
- Un contenido de vacíos lo suficientemente alto, para permitir una ligera
cantidad de compactación adicional bajo las cargas producidas por el paso de
vehículos sin que se produzca exudación.
El diseño de mezcla adecuado, es generalmente el más económico y que cumple
satisfactoriamente los criterios mencionados anteriormente. De acuerdo a la
normativa AASHTO y ASTM existen dos tipos de diseños de mezclas asfálticas:
- Hveem: El propósito del Método Hveem es el determinar el contenido
óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también
provee información sobre las propiedades de la mezcla asfáltica final. El Método de
Hveem, solo se aplica a mezclas asfálticas (en caliente) de pavimentación que usan
cemento asfáltico clasificado por viscosidad o penetración, y que contienen agregados
con tamaños máximos de 25 mm o menos. El método Hveem utiliza una serie de
pruebas para determinar el contenido óptimo de asfalto. Los procedimientos que el
método incluye son:
1) Ensayo Equivalente Centrífugo de Kerosene (CKE) para determinar un contenido
aproximado de asfalto.
2) Preparación de probetas de prueba con el contenido aproximado de asfalto, y con
contenidos mayores y menores que el aproximado.
3) Ensayo de estabilidad para evaluar la resistencia a la deformación.
4) Ensayo de expansión para determinar el efecto del agua en el cambio de volumen y
en la permeabilidad de la briqueta.
- Método de Diseño Marshall: el concepto de este método fue desarrollado
por Bruce Marshall, ingeniero del estado de Mississipi. Su propósito es determinar el
contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El
método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en
47
caliente y establece densidades y contenidos óptimos de vacíos que deben ser
cumplidos durante la construcción del pavimento.
El método Marshall solo se aplica a mezclas asfálticas (en caliente) de
pavimentación, que usan cemento asfáltico clasificado por penetración o viscosidad y
que contienen agregados con tamaño máximo de 25 mm (1 pulgada). Puede ser usado
para el diseño en laboratorio o para el control de campo de pavimentos.
Se deben utilizar probetas 64 × 102 mm de diámetro. Una serie de muestras,
cada una con la misma combinación de agregados pero con diferente contenido de
asfalto, son preparadas de acuerdo a procedimientos específicos. Los dos datos más
importantes del diseño de mezclas del método Marshall son:
- Análisis de la relación vacíos- densidad
- Prueba de estabilidad- flujo de las muestras compactadas.
El ensayo Marshall para mezclas asfálticas para pavimentación puede
emplearse para proyecto en laboratorio y comprobación en obra de las mezclas que
contienen betún asfáltico y áridos cuyo tamaño máximo no exceda 1”.
Previo a la ejecución del método se deben tener en cuenta los siguientes
aspectos:
- Los materiales a usar deben cumplir con las especificaciones del proyecto.
- La mezcla de agregados debe cumplir con las especificaciones
granulométricas del proyecto.
- Se deben determinar las densidades reales secas de todos los agregados y las
del asfalto para ser usados en el análisis de huecos de la mezcla.
El método utiliza probetas normalizadas de 2½" de altura por 4" de diámetro.
Estas se preparan de acuerdo a un procedimiento específico de calentamiento,
mezclado y compactación. Las dos características principales del método de diseño
son el análisis densidad-huecos y el ensayo de fluencia y estabilidad de las probetas.
La estabilidad de la probeta de ensayo es la carga máxima en Newtons que esta
alcanza a 60°C y la fluencia será la deformación, en décimas de milímetros, que
ocurre desde el instante que se aplica la carga hasta lograr la carga máxima. (Ver
48
figura 12 y 13)
Fig. 12 Probeta Marshall Fig. 13 Maquina de ensayo Marshall
2.2.25 Comportamiento de las cargas sobre el pavimento.
Las cargas de los vehículos se transmiten al pavimento por medio de los
neumáticos, el área de contacto es muy importante, la presión de contacto, depende
de la presión de inflado de los neumáticos, como se ha dicho, la presión de contacto
es más grande que la presión de la llanta, para presiones bajas de la llanta y la presión
de contacto es más pequeña que la presión de la llanta, para presiones altas de las
llantas. Las presiones altas de contacto sobre los pavimentos están directamente
relacionadas con los valores de las cargas por eje de los vehículos, lo que conlleva a
la formación de roderas son presiones altas de contacto sobre los pavimentos.
Monismith et al (1994) realizaron un proyecto con el Strategic Highway
Research Program (SHRP) en donde analizaron el efecto del estado de esfuerzos
sobre el comportamiento de las mezclas asfálticas con respecto a las deformaciones
plásticas. Durante una serie de ensayos que tenía como fin observar el
comportamiento de las mezclas asfálticas bajo distintas condiciones, esto es,
utilizando dos niveles de esfuerzo, uno alto y otro bajo. Al final se determinó que un
incremento en la presión de contacto de los neumáticos con el pavimento produce un
decremento en la resistencia de las mezclas asfálticas ante las deformaciones
49
plásticas.
2.2.26 Número de repeticiones de carga.
Monismith et al (1994) observaron que un aumento en el número de
repeticiones de carga establece una disminución en la resistencia de los pavimentos a
la generación de deformaciones plásticas, es decir, cuando se incrementa el número
de repeticiones de carga, el pavimento es más susceptible a sufrir este tipo de
deterioro.
Cada paso de los neumáticos por un punto sobre el pavimento, se puede
considerar como un pulso de carga, si la mezcla asfáltica está a una temperatura
relativamente alta, esta condición le permite comportarse de una manera
viscoelastoplástica ante las solicitaciones del tráfico, cada pulso de carga, se irá
acumulando permanentemente lo que generará las roderas.
2.2.27 Naturaleza cíclica de las cargas que actúan en un pavimento.
El diseño, análisis y evaluación estructural de las condiciones de los
pavimentos comúnmente se basan en el análisis de la teoría elástica multicapas; este
acercamiento ofrece la posibilidad de una solución racional al problema de diseño. El
éxito de esta aproximación depende de la precisión y la manera en que las
propiedades de los materiales son evaluadas y utilizadas.
Se ha prestado mucho énfasis a los procedimientos de diseño en los
pavimentos; éstos han cambiado desde los métodos empíricos hasta los métodos
mecanicistas, basados en el acercamiento más racional en su diseño (Monismith,
1962). Las principales razones de este cambio son las condiciones cambiantes en la
estructura del pavimento ante la solicitación móvil de los vehículos cargados, ya que
experimentan dos tipos de esfuerzos:
Los estáticos por sobrecarga y los dinámicos causados por el movimiento
vehicular. Otras consideraciones importantes son el desarrollo de nuevos materiales
utilizados en la construcción, nuevas configuraciones de pavimentos y la
disponibilidad que nos da la utilización de las computadoras. Dentro de los métodos
racionales se encuentran los procedimientos de diseño mecanicistas; su
50
funcionamiento es estimado y basado en las propiedades mecánicas fundamentales de
las capas del pavimento. (Zaman et al., 1994) El acercamiento mecanicista en el
diseño involucra el análisis teórico y el cálculo de esfuerzos y deformaciones en
lugares críticos, como resultado de las aplicaciones de carga originadas por las ruedas
cargadas.
Los materiales que constituyen los pavimentos, incluyendo las terracerías y el
terreno de cimentación, se ven sometidos a cargas dinámicas de diversas magnitudes
que le son transmitidas por el tránsito vehicular.
El patrón de esfuerzos inducidos a una estructura de pavimento como resultado
del tránsito de vehículos es muy complejo. Un elemento de pavimento está sujeto a
pulsos de carga que involucran componentes de esfuerzos normales y cortantes. Los
esfuerzos son transitorios y cambian con el tiempo conforme la carga avanza. (Lekarp
et al., 1997)
2.2.28 Influencia del tránsito en la aplicación de las cargas en pavimentos.
La caracterización de las solicitaciones producidas por el tránsito sobre una
infraestructura carretera es bastante compleja, debido no sólo a la variabilidad de los
distintos vehículos existentes, sino también a las interacciones vehículo-pavimento
que producen fenómenos con solicitaciones adicionales a las propias cargas estáticas
del tránsito. (Arriaga y Garnica, 1998) Para dicha caracterización se pueden estudiar
independientemente los siguientes aspectos:
- Magnitud de las cargas según la composición del tránsito (carga por eje, tipos
de ejes que circulan y número de repeticiones de carga).
- Forma geométrica de cada solicitación sobre el pavimento, área de contacto y
reparto de presiones sobre la misma.
- Velocidad de los vehículos y tiempo de solicitación en un punto.
- Estado de esfuerzos que producen las cargas, en función de su magnitud y
tipología (verticales, tangenciales, fenómenos de impacto, etc.) y las características de
las capas del pavimento.
51
2.2.29 Solicitaciones de cargas a un pavimento.
El tránsito tiene una gran influencia en la aplicación de las cargas en un
pavimento y su caracterización es bastante compleja debido no solo a la variabilidad
de los distintos vehículos existentes, sino también a las interacciones vehículo-
pavimento que producen fenómenos con solicitaciones adicionales a las propias
cargas estáticas del tránsito. Para caracterizar las solicitaciones producidas por el
tránsito a un pavimento, se pueden estudiar independientemente los siguientes
aspectos:
- Magnitud de las cargas según la composición del tránsito (carga por eje,
número de ejes que circulan, y número de repeticiones de carga).
- Forma geométrica de cada solicitación sobre el pavimento (área de contacto
y reparto de presiones sobre la misma).
- Velocidad de los vehículos y tiempo de solicitación en un punto.
- Estados de esfuerzos que producen las cargas, en función de su magnitud y
tipología (verticales, tangenciales, fenómenos de impacto, etc).
Las cargas de los vehículos al pavimento se transmiten a través de las ruedas,
en los métodos de diseño mecanicistas es necesario conocer el área de contacto de la
llanta con el pavimento, asumiendo que la presión de contacto depende de la presión
de inflado del neumático, como se indica en la Figura 14, la presión de contacto es
más grande que la presión de la llanta, para presiones bajas de la llanta, debido a que
la pared de la misma está en compresión y la suma de las fuerzas verticales de la
pared y presión de la llanta, deben ser iguales a la fuerza debido a la presión de
contacto; la presión de contacto es más pequeña que la presión de la llanta, para
presiones altas de las llantas, debido a que la pared de la llanta está en tensión. Sin
embargo, en el diseño de pavimentos, la presión de contacto generalmente se asume
igual a la presión de la llanta, debido a que los ejes de carga pesados tienen presiones
altas y efectos más destructivos en el pavimento, utilizar la presión de la llanta como
presión de contacto, es estar por el lado de la seguridad. (Huang, 1993).
52
Fig. 14. Relación entre la presión de contacto y la presión de la llanta.
Cuando se utiliza la teoría multicapas en el diseño de pavimentos flexibles, se
asume que cada llanta tiene un área de contacto de forma circular, esta suposición es
incorrecta, pues en realidad es cónica; pero el error en el que se incurre no es
significativo.
Otro aspecto que tenemos que considerar acerca del vehículo es la velocidad, si
se utiliza la teoría viscoelástica para el diseño del pavimento, la velocidad está
directamente relacionada con la duración de la carga; si se utiliza la teoría elástica,
debe seleccionarse adecuadamente el módulo de resilencia de los materiales para el
pavimento, en proporción con la velocidad del vehículo. (Huang, 1993).
Se ha supuesto en algunos casos que los esfuerzos aplicados por una llanta en
movimiento se aproximan a una forma senoidal, cuya duración depende de la
velocidad del vehículo y de la profundidad del punto al que se está haciendo
referencia. Barksdale (1971) investigó sobre los tiempos de pulsación a diferentes
profundidades bajo la superficie del pavimento, así como también a diferentes
velocidades, observando cómo a mayor velocidad del vehículo, el tiempo de
aplicación de la carga disminuye (Ver gráfico 5), también es evidente que simulando
el esfuerzo vertical, con una onda triangular, los tiempos de aplicación aumenten. Así
53
mismo se puede apreciar, que el tiempo de duración de la carga aumenta con la
profundidad.
Gráfico 5. Tiempo de pulsación para el esfuerzo vertical con carga senoidal y triangular (1
in = 25.4 mm y 1 mph = 1.6 km/hr) (Barksdale, 1971)
McLean (1974) determinó el tiempo de carga simulándola con una onda
cuadrada (Ver gráfico 6), sobre la cual sobrepuso los resultados obtenidos por
Barksdale (carga triangular y una velocidad de 30 mph). Se puede ver que el tiempo
de pulsación basado en una onda cuadrada es más pequeño que el basado en una
triangular.
Gráfico 6. Tiempo de pulsación para el esfuerzo vertical con onda tipo cuadrada
(McLean, 1974)
54
En vista de que la velocidad del vehículo no es constante, se recomienda (con
fines de estandarización), la onda senoidal con tiempo de duración de 0.1 segundos de
aplicación de carga y un periodo de reposo de 0.9 segundos (Huang, 1993).
2.3 Bases Legales
La presente investigación tiene su basamento legal fundamentado en normas o
disposiciones legales que por su importancia y correspondencia con la construcción
de carreteras tales como la Norma COVENIN, en la cual se ocupa del sector de la
construcción, muy específicamente en su parte 1 en lo que respecta a las
especificaciones, codificaciones y mediciones de carreteras, además se basa de igual
forma en las normas que establece el Instituto Venezolano de Asfalto (INVEAS) la
cual es la norma que orientan al ingeniero en servicio, en las especificaciones
obligatorias que debe seguir a la hora de la construcciones de vías.
Norma venezolana COVENIN (2000)
12-6.85 Material Asfaltico
El material asfáltico utilizado en la mezcla de pavimentos de mezclas en
frío densamente gradadas; se mide en toneladas métricas (1000 kg). La cantidad
de material asfáltico empleado en cada tramo se determina multiplicando el peso
de la mezcla colocada en el tramo, por el porcentaje de material asfáltico de la
mezcla asfáltica.
12-6.86 El peso de la mezcla colocada en cada tramo se obtiene
multiplicando el volumen de pavimento determinado según se establece en el
parágrafo 12--6.81 por la densidad promedio de las muestras de pavimento que se
está midiendo. Se entiende por densidad promedio el promedio aritmético de, al
menos, 6 muestras del pavimento del tramo pudiendo incluirse entre ellas las
tomadas según se establece en el parágrafo 12-6.60.
12-6.87 Como porcentaje de material asfáltico de la mezcla se toma el
promedio aritmético de los resultados de los ensayos de extracción (Método
MOP-E-30S), corregidos con el valor de residuo de destilaciones tomadas en el
tramo que se está midiendo. El promedio aritmético citado debe provenir de al
55
menos dos ensayos de extracción.
12-6.88 Transporte de la mezcla asfáltica
Cuando "El Ministerio" lo juzgue conveniente el transporte de la mezcla
asfáltica que se use para la construcción de pavimentos de mezcla en frío
densamente gradadas y que se prepare en planta mezcladora fija o en patio de
mezclado debe ser pagado por partida para presupuesto correspondiente a la
especificación 12-35 (Transporte de mezclas asfálticas).
12-6.92 Cuando la superficie de apoyo donde se va a colocar pavimento de
mezclas en frío densamente gradadas no satisface los requisitos establecidos en el
parágrafo 12-0.43 de la especificación general (12-0), y/o las características de
nivelación y de compactación especificadas en el Proyecto, o cuando dicha
superficie se deforma bajo el paso del equipo de prueba señalado en el parágrafo
12-0.44 de la Especificación General (12-0), no siendo imputables a "El
Contratista" de pavimentación las causas que hayan motivado esos defectos, los
trabajos a los que se refieren los parágrafos 12-0.45 y 12-0.46 de la
Especificación General (12-0), se deben pagar por la(s) partida(s)
correspondiente(s).
12-8 MACADAM ASFALTICO
12-8.01 Alcance
12-8.02 En esta especificación se establecen los requisitos particulares
para la construcción de pavimentos compuestos de agregado trabajado por
medios mecánicos, ligado con cemento asfáltico. El macadam asfáltico debe
construirse según se establece en esta especificación. y en un todo de acuerdo
con lo fijado en el contrato de obra.
12-8.03 El macadam asfáltico puede construirse en una o más capas; cada
capa debe estar compuesta por dos o tres camadas de agregado según lo
indique el proyecto.
El agregado debe ser piedra picada, grava picada, o combinaciones de
ellas; debe proceder de rocas duras y resistentes, no debe tener arcilla en
56
terrones ni como película adherida a los granos; y debe estar libre de todo
material orgánico.
12-8.07 El agregado debe satisfacer los requisitos siguientes:
a) Debe estar limpio y no debe tener más del 5% de su peso, de trozo~
alargados o planos.
b) El porcentaje de desgaste determinado según las normas COVENIN 266 y
267 según el caso, no debe ser mayor del 45%.
c)En el momento de ser mezclado, el porcentaje de caras producidas por
fractura, determinado según la norma COVENIN 1124, debe ser del 100%.
12-8.09 El agregado está sujeto a la aprobación previa, por escrito, de "El
Ministerio", de acuerdo a lo especificado en el parágrafo 12-0.07 de la
Especificación General (12-0)
12-8-10 Materiales Asfalticos
Los materiales asfálticos que se pueden utilizar para la construcción del
macadam asfáltico son cementos asfálticos de penetración 85-100 ó 120-150. El
tipo de material asfáltico debe ser seleccionado por "El Ministerio", y debe
satisfacer los requisitos establecidos en la Especificación General (12-0)
12-8.11 Con suficiente anticipación al comienzo de los trabajos de
construcción del macadam asfáltico, "El Contratista" debe someter a la
aprobación de "El Ministerio" muestra(s) del material asfáltico del tipo
seleccionado según el parágrafo 12-8.10. No se deben iniciar dichos trabajos sin
la previa aprobación, por escrito, de dicho material por "El Ministerio".
12-8.12 Diseño
"El Ministerio" debe determinar el número de capas que se van a construir y el
número de camadas que forman cada capa; el tipo de granulometría del
Agregado (12-8.08) para la construcción de la(s) capa(s); y la proporción de los
materiales para cada una de ellas.
Norma INVEAS (2004)
12.10.01 Alcance en esta especificación se establecen los requisitos particulares
57
para la producción, construcción, medición y forma de pago de Mezclas de Concreto
Asfáltico en Caliente (MCAC) densamente gradadas, producida en Planta en
Caliente, compuestas de agregados y cemento asfáltico. Las mezclas de Concreto
Asfáltico deben construirse según se establece en esta Especificación.
12-10.02 Tipos de mezcla
En esta especificación se incluyen cuatro tipos de mezcla de concreto asfáltico,
distinguidas en función de su tamaño nominal máximo, las cuales se identifican como
M-25, M-19; M-12 y M-9. La estructura granulométrica de cada mezcla se indica en
el Parágrafo 12-10-10. Cualquier referencia a una mezcla en particular se hace
señalando el tipo correspondiente; al no señalarse ningún tipo en particular, se debe
entender que la referencia es válida para todos los tipos.
MATERIALES
12-10.05 Agregados
El agregado debe provenir de piedra picada, grava picada, escoria de acería,
arena natural y/o manufacturada, y polvillo, en diferentes proporciones; debe
proceder de rocas duras y resistentes; no debe tener arcilla en terrones ni como
partícula adherida a los granos, y debe estar libre de todo material orgánico. Podrá
emplearse mezcla asfáltica recuperada (MAR), en una proporción no mayor al 30%
del total del peso del agregado. A efectos de esta Especificación, se denomina arena
manufacturada a la fracción pasante el tamiz de 9,5 mm (3/8”) proveniente en un
mínimo de 90% de procesos de trituración. Cualquier otra arena que no cumpla con
este requisito se considerará como arena natural.
Estar normas tiene relación con la investigación debido a que son las normas
que regulan la construcción de carreteras en todos sus aspectos, cada una de ellas cita
parámetros a seguir para la construcción de vías en lo que se refiere a la mezcla del
asfalto, los agregados y manera de construcción con la finalidad de realizar obras
ajustadas a las normas que regulan dichas obras.
2.4 Definición de términos
Adhesión: Estado en el cual dos superficies se mantienen unidas por fuerzas
58
interfasiales.
Aditivo: Es todo aquel producto que se adiciona a un material asfáltico o emulsión,
con el objeto de proporcionarle alguna otra propiedad que no tiene originalmente,
cambiando de esta forma, su comportamiento durante su aplicación.
Adhesividad: Es la propiedad de un ligante y un agregado de adherirse uno a otro,
sin peligro de perder esta propiedad en presencia de la humedad.
Agregado: Material granular duro de composición mineralógica como la arena, la
grava, la escoria o la roca triturada, usado para ser mezclado en diferentes tamaños.
Agregado grueso: Agregado retenido en el tamiz de 4.75 mm (# 4).
Agregado fino: Agregado que pasa el tamiz de 4.75 mm (# 4).
Ahuellamiento: Surcos que se desarrollan en el pavimento, en los carriles de las
ruedas. Puede ser resultado de una consolidación por movimiento lateral de una o
más capas del pavimento bajo efectos del tráfico o, pueden ser generados por un
desplazamiento de la superficie misma del pavimento. Ocurren como resultado del
movimiento plástico de una mezcla que tiene muy poca estabilidad para resistir el
tráfico.
Alquitrán de hulla: Material de color carmelito oscuro a negro, producido mediante
la destilación destructiva del carbón bituminoso de piedra.
Aniónico: Que debe sus características a la presencia o a la concentración, sea en la
superficie o en la masa, de iones negativos o aniones.
Arrocillo: Piedra de tamaño mínimo o grado cero utilizada en la preparación de la
mezcla de concreto para los machones y vigas de corona, para las fundaciones, para
las losas y, en algunos casos, para el lecho de la losa de piso.
Asfáltenos; Son la fracción de hidrocarburo de alto peso molecular en el asfalto, que
es precipitada por medio de un solvente parafínico de nafta, usando una proporción
específica de solvente - asfalto.
Asfalto: Material cementante, de color entre carmelito oscuro y negro, en el cual los
constituyentes predominantes son bitúmenes que aparecen en la naturaleza o se
obtienen en el procesamiento del petróleo. El asfalto es un constituyente, en
59
proporciones variables, de la mayoría de petróleos crudos.
Asfalto modificado Producto resultante de la incorporación en el asfalto de un
polímero o de hule molido.
Betún: Se dice que es una mezcla de hidrocarburos que se presentan en estado
natural y como residuo de la destilación del petróleo.
Bitumen: Sustancia cementante de color negro (sólida, semi- sólida o viscosa),
natural o fabricada, compuesta principalmente de hidrocarburos de alto peso
molecular, siendo típicos los asfaltos, las breas o alquitranes, los betunes y las
asfaltitas.
Catiónico: Que debe sus características a una concentración o a una absorción de
iones positivos o cationes.
Cemento Asfáltico: material más común en los proyectos de construcción para
firmes de carreteras, aeropuertos y aparcamientos. Consiste en un agregado de asfalto
y materiales minerales (mezcla de varios tamaños de áridos y finos) que se mezclan
juntos, se extienden en capas y se compactan.
Cohesión: Tipo de atracción entre dos substancias o materiales.
Compactación: Acto de comprimir un volumen dado de material en un volumen más
pequeño. Generalmente la compactación se logra usando los rodillos compactadores
neumáticos.
Consistencia: Describe el grado de fluidez o plasticidad de un cemento asfáltico a
determinada temperatura. La consistencia de un cemento asfáltico varía con la
temperatura: por lo tanto es necesario usar una temperatura patrón cuando se está
comparando la consistencia de un cemento asfáltico con la de otro. La temperatura
utilizada para este propósito es 60°C (140°F).
Deformación: Cualquier cambio que presente un pavimento respecto a su forma
original.
Desintegración: Separación progresiva de las partículas del agregado en el
pavimento desde la superficie hacia abajo, o desde los bordes hacia el interior. Puede
ser causada por falta de compactación, construcción de una capa de rodamiento muy
60
delgada en períodos fríos, agregado sucio o desintegrable, muy poco asfalto en la
mezcla o sobrecalentamiento de la mezcla asfáltica.
Ductilidad: Capacidad de una sustancia para ser estirada o estrechada en forma
delgada.
Ensayo CBR (California Bearing Ratio): Ensayo de Relación de Soporte de
California) mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo y para poder evaluar la
calidad del terreno para subrasante, sub base y base de pavimentos.
Ensayo Marshall: Ensayo para determinar valores de estabilidad y deformabilidad
de los pavimentos asfálticos ideado por Bruce G. Marshall del Departamento de
Caminos del Estado de Mississipi (EEUU).
Elastómero: Los materiales elastómeros son aquellos materiales que están formados
por polímeros que se encuentran unidos mediante enlaces químicos, adquiriendo una
estructura final ligeramente reticulada.
Grietas: Fracturas en la superficie del pavimento asfáltico.
Kerosina: Un aceite medio ligero procedente de la refinación del petróleo,
intermedio entre el gasóleo y la gasolina; utilizado para alumbrado y calefacción y
también como combustible para los motores de los aviones a chorro, los de turbo-
hélice y helicópteros.
Ligante: Partículas un compuesto adhesivo que ligan y mantienen unidos dos
elementos.
Mezclas Abiertas: mezcla en la cual la proporción de vacíos supera el 12 %.
Monómero: (del griego mono, ‘uno’, y meros, ‘parte’) es una molécula de pequeña
masa molecular que unida a otros monómeros, a veces cientos o miles, por medio de
enlaces químicos, generalmente covalentes, forman macromoléculas llamadas
polímeros
Parafina: Es el nombre común de un grupo de hidrocarburos alcanos de fórmula
general CnH2n+2, donde n es el número de átomos de carbono. La molécula simple de
la parafina proviene del metano, CH4.
Polímero: Sustancia que consiste en grandes moléculas formadas por muchas
61
unidades pequeñas que se repiten.
Policloruro de vinilo – PVC: El Policloruro de Vinilo (PVC) es un moderno,
importante y conocido miembro de la familia de los termoplásticos. Es un polímero
obtenido de dos materias primas naturales cloruro de sodio o sal común (ClNa) (57%)
y petróleo o gas natural (43%), siendo por lo tanto menos dependiente de recursos no
renovables que otros plásticos.
Polímero Plastomérico: clase de copolímeros o mezcla física de polímeros
(generalmente un plástico y un caucho) que dan lugar a materiales con las
características termoplásticas y elastoméricas. Cuenta con la particularidad de ser
muy elástico pudiendo incluso, recuperar su forma luego de ser deformado
Reología: La Reología es una disciplina científica que se dedica al estudio de la
deformación y flujo de la materia o, más precisamente, de los fluidos.
Polvillo: Agregado pétreo de mínima proporción proveniente de la piedra picada.
Resiliencia: En ingeniería, se llama resiliencia de un material a la energía de
deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo
deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. La resiliencia es igual
al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico.
Resistencia a la fatiga: Capacidad de un pavimento asfáltico para resistir flexión
repetida causada por cargas móviles. Entre más alto contenido de asfalto, mayor será
la resistencia a la fatiga.
Resistencia al deslizamiento: Propiedad de la superficie asfáltica de resistir el
deslizamiento, particularmente cuando esta mojado.
Roderas: Las roderas son deformación de una o varias capas del pavimento causadas
por las cargas de tráfico, altas temperaturas, ciclos de frío y calor y condiciones y
diseño del pavimento, como el empleo de un ligante blando, una insuficiente
compactación, mala calidad de los áridos o filler o una dosificación incorrecta de la
mezcla. Este tipo de deterioro se caracteriza por sufrir una deformación no elástica,
presentar ondulaciones o surcos paralelos.
62
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
El Marco Metodológico es esencial para el estudio debido a que, indica la
metodología de la investigación, el nivel de la investigación, el tipo de investigación,
la modalidad de la misma, el diseño de la investigación con sus correspondientes
fases de investigación que fueron utilizadas para realizar la investigación; es decir, es
el cómo se realizó el estudio para responder al problema planteado.
3.1 Metodología de la Investigación
La metodología de investigación según Sabino, Carlos (2006) comprende todos
aquellos “procedimientos que nos permitan alcanzar el fin que procuramos. No es
posible obtener un conocimiento racional, sistemático y organizado actuando de
cualquier modo, es necesario seguir algún método, algún camino concreto que nos
aproxime a esa meta.”(p.24).
Por otra parte el mismo autor en relación a la metodología señala que:
El método científico, es el procedimiento o conjunto de procedimientos
que se utilizan para obtener conocimientos científicos, el modelo de
trabajo o secuencia lógica que orienta la investigación científica. El
estudio del método o de los métodos, si se quiere dar al concepto un
alcance más general se denomina metodología, y abarca la justificación
y la discusión de su lógica interior, el análisis de los diversos
procedimientos concretos que se emplean en las investigaciones y la
discusión acerca de sus características, cualidades y debilidades.
Todo lo anterior se refiere a como se realizará el estudio para responder al
problema planteado; por lo cual, en este capítulo se incluyeron aspectos relevantes
como el tipo y diseño de la investigación además de todas las fases para el eficaz
cumplimiento de los objetivos específicos planteados.
63
3.2 Tipo de Investigación
Tamayo y Tamayo M, (2006), presentan la siguiente definición sobre la
investigación: “es un proceso que, mediante la aplicación del método científico,
procura obtener información relevante y fidedigna, para entender, verificar, corregir o
aplicar el conocimiento” (p. 37).
Al relacionar la investigación, el método científico y citando a Sabino, Carlos
(2006) se considera la investigación de tipo:
Descriptiva: Su preocupación primordial radica en describir algunas
características fundamentales de conjuntos homogéneos de fenómenos.
Las investigaciones descriptivas utilizan criterios sistemáticos que
permiten poner de manifiesto la estructura o el comportamiento de los
fenómenos en estudio, proporcionando de ese modo información
sistemática y comparable con la de otras fuentes.
Esta investigación es de tipo descriptiva, ya que se ocupa de una investigación
detallada, para alcanzar unos fines. En relación con los objetivos específicos es un
proceso sistemático de búsqueda e indagación que requiere la descripción, el análisis
y la comparación.
3.3 Diseño de la Investigación
Por la estimación de Sabino (2006), el diseño de la investigación se define
como:
La estrategia cuyo objeto es proporcionar un modelo de verificación que
permita contrastar hechos con teorías, y su forma es la de una estrategia o
plan general que determina las operaciones necesarias para hacerlo, todo
trabajo científico se define como tal primordialmente por el método que
adopta, tanto para su planteamiento como para su ejecución y análisis,
más que por la verdad o falsedad de sus resultados o por el tema sobre el
que se desarrolle.
De acuerdo al problema planteado, referido a analizar las ventajas y desventajas
del uso de asfaltos modificados con diversos polímeros como alternativa para la
construcción y conservación de carreteras, y en función de los objetivos planteados,
este estudio estuvo enmarcado con los principios de la investigación de tipo
Bibliográfica ya que estas informaciones proceden siempre de documentos escritos.
64
Según el autor antes nombrado una investigación se considera de tipo
descriptivo a “aquella que se apoya en la consulta de textos o bibliografías de
investigaciones previas”, por lo tanto se define esta investigación como bibliográfica ya
que se tomaron diferentes fuentes de para extraer la información entre ellos: tesis, libros,
leyes, normas que permitió establecer comparaciones.
3.4 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos
Según Sabino (2006) estos son, en principio, “Cualquier recurso de que se vale
el investigador para acercarse a los fenómenos y extraer de ellos la información”. (p.
95). Debido al diseño de la investigación la recolección de datos se realizó la
indagación de documentos bibliográficos donde:
a. Se estableció un sistema que permitió la identificación y verificación de todo el
material recolectado.
b. Se recolectó y ordenaron los datos a través de las fichas o los archivos en la
computadora lo cual nos permitió la obtención de la información realmente necesaria,
para la investigación a partir de la información recolectada.
c. Se compararon los datos adquiridos a fin de dictaminar los ajustes necesarios que
permitirá determinar la validez, confiabilidad y exactitud de la información.
3.5 Fase Metodológica.
Para llevar a cabo la investigación, se cumplió con tres fases, acorde a los
objetivos específicos planteados:
Fase I: Conocer las características de asfaltos modificados con polímeros,
de acuerdo a las especificaciones aplicables.
Se buscó y recogió información confiable acerca de los asfaltos modificados,
sus características, así como también su aplicabilidad a nivel mundial y nacional para
así comprobar que su uso es ventajoso para la construcción de redes viales y que a
pesar de tener un costo más elevado, el costo de mantenimiento se verá reducido ya
que este presenta mejores características de durabilidad y resistencia. Para el
cumplimiento de esta fase se trabajó con diferentes bibliografías y trabajos realizados
para de tal manera completar y hacer de esta investigación una recopilación completa.
65
Fase II: Clasificar la información sobre asfaltos modificados con
polímeros.
Se buscó la información referente a asfaltos modificados y se presentó de forma
ordenada para que el lector pueda seguir los objetivos que se buscan con la
realización de la investigación.
Fase III: Identificar ventajas y desventajas que tiene el asfalto modificado
con polímeros respecto al asfalto convencional.
De acuerdo a lo investigado se estableció una comparación en relación a las
ventajas y desventajas del uso del asfalto convencional respecto al uso de asfaltos
modificados para comparar los beneficios o consecuencias de su uso. El utilizar
polímeros en los asfaltos ha cambiado las propiedades de la capa asfáltica; lo cual ha
permitido añadir nuevas propiedades los asfaltos mejorando las características de los
mismos. El uso de polímeros en mezclas modificadas no altera los procedimientos
usados normalmente en los trabajos de pavimentación. Así mismo ha demostrado
beneficios en países de Europa y en Estados Unidos; a pesar del incremento en el
costo inicial en los cementos asfalticos, y por eso se hizo indispensable la
comparación para una posible utilización futura.
66
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
Para entender las ventajas de los asfaltos modificados es necesario conocer
antes las diferencias entre los asfaltos convencionales y asfaltos modificados con
polímeros
A continuación se presentan gráficamente las diferencias más notables entre
ambos asfaltos:
Gráfico 7: Diferencias notables entre los asfaltos modificados y los asfaltos modificados con polímeros.
En esta imagen se muestra una gráfica de los asfaltos modificados con
polímeros, involucrando todos los diferentes tipos de polímeros que se manejan en el
mercado, ya que determinar cada uno de ellos requeriría hacer una gráfica por cada
polímero. Los porcentajes fueron determinados con respecto al consumo del asfalto
convencional con respecto al asfalto modificado con polímeros, y por las
características que le distinguen a cada uno de estos asfaltos.
Los asfaltos modificados con polímeros elevan la vida útil de un pavimento de
Asfalto Convencional
Asfalto Modificado
Con Polímeros
67
dos a tres veces con un costo adicional de hasta un 25% sobre la mezcla asfáltica.
Está plenamente probado que los asfaltos convencionales poseen propiedades
satisfactorias tanto mecánicas como de adhesión en una amplia gama de aplicaciones
y bajo distintas condiciones climáticas y de tránsito. Sin embargo, el creciente
incremento de volumen del tránsito y la magnitud de las cargas, y la necesidad de
optimizar las inversiones, provoca que, en algunos casos, las propiedades de los
asfaltos convencionales resulten insuficientes.
Con ciertas mezclas abiertas, alternativa generada por razones de confort y
seguridad, con los ligantes convencionales no se alcanzaría una resistencia mecánica
suficiente a causa de una insuficiente cohesión y adhesividad, lo que unido al bajo
contenido de ligante de estas mezclas podría redundar en una disminución en su
durabilidad. Del mismo modo, las nuevas capas superficiales delgadas serian menos
durables cuando se vean sometidas a altas intensidades de tránsito.
En el efecto de ahuellamiento entre los asfaltos modificados y los asfaltos
convencionales se nota una gran diferencia como se muestra en las siguientes
imágenes:
Fig. 15 Asfalto convencional sometido a tráfico a 60ºC
68
Fig. 16 Asfalto modificado sometido a tráfico a 60ºC
La resistencia de estas mezclas se consigue con áridos de buena calidad,
elevado porcentaje de relleno (Filler) de 8 a 10% y un asfalto modificado con
polímeros. En este tipo de mezclas es de vital importancia la adherencia con la capa
subyacente (ésta también influye en la durabilidad). Estas también deben ser
resistentes, para soportar la acción del tránsito y el desprendimiento de los áridos.
Comparando a estos dos tipos de asfaltos en una relación
viscosidad/temperatura se obtiene la siguiente grafica:
Gráfico 8: Efecto del Asfalto modificado con polímeros sobre la rigidez y la temperatura.
69
Los asfaltos modificados con polímeros están constituidos por dos fases, una
formada por pequeñas partículas de polímero hinchado y la otra por asfalto.
En las composiciones de baja concentración de polímeros existe una matriz
contínua de asfalto en la que se encuentra disperso el polímero; pero si se aumenta la
proporción de polímero en el asfalto se produce una inversión de fases, estando la
fase continua constituida por el polímero hinchado y la fase discontinua corresponde
al asfalto que se encuentra disperso en ella.
El efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación
viscosidad-temperatura (sobre todo en el rango de temperaturas de servicio de las
mezclas asfálticas) permitiendo mejorar de esta manera el comportamiento del asfalto
tanto a bajas como a altas temperaturas.
Mientras que la relación tensión/fatiga mostraría los siguientes resultados:
Gráfico 9. Relación Tensión/Fatiga entre asfaltos convencionales y modificados.
Los polímeros compatibles producen rápidamente un asfalto estable, usando
técnicas convencionales de preparación. Estos sistemas convencionales de
preparación de asfaltos modificados con polímeros son grandes recipientes de
mezclado con paletas agitadoras a velocidades lentas, o recipientes especiales que
70
favorecen la recirculación con agitadores mecánicos de corte de gran velocidad. El
polímero puede venir en polvo, en forma de pequeñas bolitas (pellets) o en grandes
panes. La temperatura de mezclado depende del tipo de polímero utilizado.
En la actualidad muchos fabricantes de asfaltos, han instalados equipos
especializados para la preparación de A.M.P, estas centrales producen asfaltos
modificados con polímeros que alcanzan altas prestaciones.
4.1 Ventajas del Uso de Polímeros en el Asfalto.
Ya que se conocen las diferencias más destacadas entre los asfaltos
convencionales y los modificados con polímeros; se pueden deducir las ventajas y
desventajas de añadir polímeros en los asfaltos.
A continuación se clasifican las ventajas de los asfaltos modificados:
Mecánicas
- Disminuyen la susceptibilidad a los tiempos de aplicación de carga.
- Aumentan la resistencia a la deformación permanente y a la rotura en un
rango más amplio de temperaturas, tensiones y tiempo de carga.
- Tienen una elevada resistencia mecánica, gran resistencia a la tracción, buen
poder humectante y adhesión los agregados.
- Los asfaltos modificados con látex, hule natural, SBS y SBR son más duros
pero siguen siendo elásticos lo que evita la formación de roderas y agrietamiento de
los mismos.
- El polímero elastómero se comprime al aplicar un esfuerzo, pero recobran su
forma original al ser retirado. Se obtienen mezclas más flexibles a bajas temperaturas
de servicio reduciendo el fisuramiento.
- Disminuye la exudación del asfalto: por la mayor viscosidad de la mezcla,
su menor tendencia a fluir y su mayor elasticidad.
- Mayor elasticidad: debido a los polímeros de cadenas largas.
- Mayor adherencia: debido a los polímeros de cadenas cortas.
- Mayor cohesión: el polímero refuerza la cohesión de la mezcla.
- Mejor trabajabilidad y compactación: por la acción lubricante del polímero o
71
de los aditivos incorporados para el mezclado.
- Mejor impermeabilización: en los sellados bituminosos, pues absorbe mejor
los esfuerzos tangenciales, evitando la propagación de las fisuras.
- Mayor resistencia al derrame de combustibles.
- Disminuye el nivel de ruidos: sobre todo en mezclas abiertas.
- No requieren equipos especiales.
Térmicas
- Disminuyen la susceptibilidad térmica.
- Disminuyen la fragilidad en climas fríos y aumentan la cohesión en tiempos
de calor.
- Varía su comportamiento de acuerdo a la temperatura en que se encuentren.
- Los elastómeros son deformables a temperatura ambiente.
Económicas
- El costo, depende básicamente de su proceso de polimerización y la
disponibilidad de los monómeros.
- Fácilmente disponible en el mercado.
Tiempo De Vida
- El polímero elastómero proporciona una excelente resistencia al
envejecimiento.
- Mejora la vida útil de las mezclas: menos trabajos de conservación.
- La rigidez de los asfaltos compuestos de látex, hule natural, SBS y SBR
ayudan a soportar los largos tiempos de carga sin deformaciones.
Físicas
- Mejorar la adherencia a los agregados.
- Mejoran el comportamiento tanto a bajas como a altas temperaturas; dado
que el efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación
viscosidad – temperatura.
- Mayor intervalo de plasticidad.
- Mayor cohesión.
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- Mayor resistencia a la acción del agua.
- El modificar un asfalto con un polímero compatible produce rápidamente un
asfalto estable usando técnicas convencionales de preparación.
- El asfalto modificado con polímero Stylink no requiere de agitación
constante ni ser mantenido a altas temperaturas.
- Las propiedades del producto no se ven afectadas si se mantiene almacenado
a temperatura ambiente por periodos prolongados.
- Permiten mayor espesor de la película de asfalto sobre el agregado.
Ecológicas.
- La mayoría de los polímeros están basados en un esqueleto de carbono, por
lo que son materiales orgánicos.
4.2 Desventajas del Uso de Polímeros en el Asfalto
- Alto costo del polímero.
- Dificultades del mezclado: no todos los polímeros son compatibles con el
asfalto base (existen aditivos correctores).
- Deben extremarse los cuidados en el momento de la elaboración de la
mezcla.
- Los agregados no deben estar húmedos ni sucios.
- La temperatura mínima de distribución es de 145ºC por su rápido
endurecimiento.
- Los asfaltos modificados con elastómeros se deteriora por la trituración o
abrasión del agregado antes que por la falla del ligante (asfalto).
- Otras propiedades que el asfalto modificado mejora respecto del asfalto
convencional son:
- Mayor intervalo de plasticidad (diferencia entre el punto de ablandamiento y
el Fraass).
- Mayor cohesión.
- Mejora de la respuesta elástica.
- Mayor resistencia a la acción del agua.
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- Mayor resistencia al envejecimiento.
- Las propiedades que estos imparten dependen de los siguientes factores:
- Tipo y composición del polímero incorporado.
- Característica y estructura coloidal del asfalto base.
- Proporción relativa de asfalto y polímero.
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CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
Este trabajo se realizó sobre los asfaltos modificados con polímeros en general
y se espera tenga continuidad profundizando sobre los diferentes polímeros y mezclas
asfálticas que se pueden lograr; así como también un estudio sobre los beneficios
obtenidos a largo y mediano plazo de los asfaltos modificados.
El utilizar polímeros en los asfaltos ha cambiado las propiedades de la capa
asfáltica; lo cual ha permitido añadir nuevas propiedades de los asfaltos mejorando
las características de los mismos. Cada polímero añadirá una propiedad diferente al
asfalto de acuerdo a la finalidad del pavimento, ya que la elección del polímero
depende de las circunstancias tales como tráfico, temperatura, tipo de terreno, etc.
El desarrollo de esta investigación es innovador en la medida en que en
Venezuela no se han llevado a cabo hasta el momento muchos trabajos con
modificación de mezclas asfálticas ya sea producto de plásticos, de los cauchos
provenientes de desechos o por la elaboración de polímeros, de manera tal que se
pueda en el país además de mitigar un problema ambiental se controla un problema
económico que aunque su costo es más elevado el concreto utilizado para las
carreteras tiene mejor rendimiento que los asfaltos comunes.
El uso de polímeros en mezclas modificadas no altera los procedimientos
usados normalmente en los trabajos de pavimentación. Así mismo ha demostrado
beneficios en países de Europa y en Estados Unidos; a pesar del incremento en el
75
costo inicial en los cementos asfálticos.
Los asfaltos modificados con polímeros elevan la vida útil de un pavimento de
dos a tres veces con un costo adicional de hasta un 25% sobre la mezcla asfáltica. La
primera diferencia significativa entre asfaltos modificados con polímeros compatibles
e incompatibles se muestra en el envejecimiento.
En Venezuela existe el potencial para elaborar buenos y excelentes polímeros
debido a la buena calidad de materia prima como lo es el petróleo, por lo tanto
Venezuela tiene los insumos necesarios para elaborar mezclas de asfaltos
modificados con polímeros y así darle una mejor calidad a la hora del asfaltado y así
alargar la vida útil de las carreteras.
5.2 Recomendaciones
Se recomienda continuar analizando el efecto de los polímeros en las mezclas
asfálticas, por lo que es importante continuar las investigaciones, con diversos tipos
de polímeros y diferentes grados de asfalto, para así poder encontrar los parámetros
de diseño más convenientes.
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