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
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 P resent ado como R equi sito para Opt ar al Tit ulo INGE NIERO CIVIL
Autor: Riaño S., Francisco J. CI: 18.501.481. Tutor Académico: Ing. Oscar Ojeda Liendo.
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.
___________________________
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.
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
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
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
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
x
[image:10.612.124.502.185.510.2]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
xi
LISTA DE GRÁFICOS
Gráf. pp
1 M19 (b) M12……… Estabilidad vs. Porcentaje de PVC variando el porcentaje de CA (a) 12
2 (a) M19 (b) M12……….. Relación E/F vs. Porcentaje de PVC variando el porcentaje de CA 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 temperatura………... Efecto del Asfalto modificado con polímeros sobre la rigidez y la 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.
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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 artículoseñala 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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
[image:32.612.94.526.267.589.2]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
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
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
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
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.
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
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.
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
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
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.
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: