Obtencion de asfaltos oxidados a nivel laboratorio a partir de asfaltos onvencionales mediante insuflacion de aire para la fabricacion de menímbranas asfalticas

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAO DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA. "OBTENCIÓN DE ASFALTOS OXIDADOS A NIVEL LABORATORIO A PARTIR DE ASFALTOS CONVENCIONALES MEDIANTE INSUFLACION DE AIRE PARA LA FABRICACIÓN DE MEMBRANAS ASFÁLTICAS". TESIS PRESENTADA POR LOS BACHILLERES: •. CABANA CHAUCA, ANA ROSA. •. ARENAS PANCCA, EllAS. Para optar el Título Profesional de: Ingeniero Químico. .....,..,.._".""'"""""'""'~~""""""=-===-m=~ UNSA- SAOI AREQUIPA-PERÚ. 2015. No.. Ooc._/32_:_U_':_ __j8_:j__f.f~--.

(2) ¡¡. DEDICATORIA A. Dios y la Virgen, por permitirme llegar a este momento de satisfacción profesional en mi vida. Por los triunfos y las situaciones difíciles que han hecho valorar la vida cada día más. Mis padres Víctor y Rosa, porque gracias a ustedes aprendí a enfrentar la vida con responsabilidad, honradez, dedicación, esfuerzo fortaleza y coraje, gracias por estar allí siempre, este logro también es suyo. Por ustedes soy lo que soy. Mi hermana Frida, gracias por la paciencia y siempre hacerme tiempo y mi hermano Víctor Andrés, me hubiera gustado mucho compartir este triunfo contigo, gracias por ser mi hermano que Dios te guarde en su gloria siempre serás mi ángel de la guarda. Mis familiares y amigos por hacerme compañía con su apoyo, consejos y ánimos, en especial a ti Roberto Miranda por compartir nuestras vidas con amor y respeto sincero en todo momento.. J\na 'Rosa Ca6ana Cfiauca. A Dios ingeniero, arquitecto y constructor de mi camino ... A mis padres El ías y Alejandra Su confianza y sacrificio invaluable ... A mis Hermanos Luis y Lila SU amistad incondicional. ... r.E{ías J\renas Pancca.

(3) ¡¡¡. AGRADECIMIENTOS A. Dios y la Virgen por estar en cada momento de mi vida, permitirme concluir esta etapa y compartirla con las personas que quiero y aprecio. La Universidad Nacional de San Agustín por los conocimientos adquiridos. Petroperú S.A. por darme la oportunidad de pertenecer a su familia laboral, es especial a Superintendencia Refinación por fortalecer mis conocimientos y compartir momentos inolvidables. Elías Arenas por la motivación, comprensión y gratitud que demostraste en mis buenos y malos momentos, a los ingenieros Armando Robles y Nancy Cárdenas, quienes me apoyaron durante la etapa de experimentación y por los consejos y ánimos otorgados, y al Ingeniero Arturo Quiroz por la muestra de amistad y apoyo en la elaboración de este proyecto. Todo esto nunca hubiera sido posible sin el amparo incondicional que me otorgaron y el cariño que me inspiraron mis padres, que, de forma incondicional entendieron mis ausencias y malos momentos. Que a pesar de la distancia siempre estuvieron a mi lado para saber cómo iba mi proceso. Las palabras nunca serán suficientes para testimoniar mi aprecio y agradecimiento.. J\na 'Rosa Ca6ana Cfiauca.

(4) iv. A Dios por permitirme sacar adelante las metas trazadas y porque en todo momento estuviste a nuestro lado. A mis maravillosos padres porque siempre me apoyaron incondicionalmente y son mi fortaleza y valentía para continuar hacia adelante, a mis dos hermanos por todo su apoyo y colaboración y todos los amigos que de una u otra forma ayudaron a que este logro se alcanzara. A ti Ana por confiar en mí y creer en el buen equipo que formamos, y allng. Robles por su apoyo en la realización de este proyecto.. 'E{ías .Jtrenas Pancca. A todos Ustedes nuestro mayor reconocimiento y gratitud..

(5) V. PRESENTACIÓN. SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN Señor Director de la Escuela Profesional de Ingeniería Química Señores Miembros del Jurado. Con el propósito de optar el Título Profesional de Ingenieros Químicos, de conformidad con las disposiciones y normas establecidas por el reglamento de grados y títulos de la Facultad de Ingeniería de Procesos, ponemos a vuestra consideración el trabajo de tesis titulado:. "OBTENCIÓN DE ASFALTOS OXIDADOS A NIVEL LABORATORIO A PARTIR DE ASFALTOS CONVENCIONALES MEDIANTE INSUFLACION DE AIRE PARA LA FABRICACIÓN DE MEMBRANAS ASFÁLTICAS". Trabajo que de merecer su aprobación nos permitirá optar el Título Profesional de Ingenieros Químicos. Así mismo consideramos propicia la oportunidad para agradecer a los docentes de la Escuela Profesional de Ingeniería Química, quienes durante nuestra formación académica superior nos brindaron sus valiosas enseñanzas, y a todas las personas que nos ayudaron a profundizar nuestros conocimientos. Atentamente,. .J\.na 'Rosa Cabana Cliauca 'E{ías .J\.renas Pancca.

(6) vi. RESUMEN. El presente proyecto de. investigación estudia la oxidación. de asfaltos. convencionales, por el método de insuflación de aire, utilizando un reactor tipo batch y una compresora de aire, trabajo realizado en las instalaciones del Laboratorio de Servicios Industriales del Departamento Académico de Ingeniería Química U.N.S.A. Los objetivos de la investigación fueron adaptar el reactor de oxidación, caracterizar el asfalto oxidado obtenido del proceso y determinar el valor adecuado de las variables Tiempo de residencia, Temperatura de Oxidación y Tipo de Asfalto, en el cual. debe evaluarse parámetros físicos específicos como el. Punto de. Ablandamiento, penetración y Punto de Inflamación. Por último se buscó definir un modelo matemático estadístico que relaciones los parámetros de oxidación de mayor influencia en el Índice de Penetración. Con respecto a la adaptación del reactor de oxidación, se le realizaron instalaciones para el control de temperatura, entrada de aire interna mediante un dispersor y una externa para conectarla con la compresora, salida de gases de reacción y conducto para la descarga del producto. Los parámetros fisicoquímicos de oxidación se evaluaron con las siguientes variables: Tiempo de residencia de 2, 4 y 6 horas, Temperatura de oxidación de 220 y 260° C,. Tipo de Asfalto de 60/70 y 85/100 PEN, mediante el análisis. estadístico de regresión se determinó que el tiempo de residencia y la interacción entre en tiempo y tipo de asfalto son de mayor significancia, ya que presentó una Fo. < Fteórica. ·. Mediante el resultado de las diversas experimentaciones, se concluyó que el tiempo de 6 horas, con un tipo de asfalto 85/100 y a 260°C se obtuvo una penetración de 21 dmm con su punto de ablandamiento de 71°C, con este resultado se pudo caracterizar el asfalto oxidado obtenido y este fue el asfalto oxidado tipo 11 según ASTM 0312 Standard Specification for Asphalt Used in Roofing, donde describe los.

(7) vii. diferentes especificaciones Técnicas de distintos tipos de asfaltos. En comparación con el tipo de asfalto 60/70, que presentó a la temperaturas de 220 y 260°C una penetración de 30 dmm con sus puntos de ablandamiento de 59 y 61°C, características que no cumplen con las especificaciones para el tipo de asfalto oxidado 11, sus resultados se encuentran dentro del rango para el asfalto oxidado tipo 1y este no es el adecuado para la fabricación de membranas asfálticas. El asfalto oxidado tipo 11 es el adecuado para la fabricación de membranas asfálticas, además se concluye que el asfalto oxidado tipo 11 obtenido presenta un Índice de penetración alto, significando poca susceptibilidad a la temperatura. Por último, los análisis de asfaltos oxidados recogidos en las diferentes corridas, fueron penetración, punto de ablandamiento y punto de inflamación se llevaron a cabo en los Laboratorios de Petroperú S.A y Laboratorio SERVILAB, siguiendo las Normas ASTM D 5, ASTM D 36, ASTM 92, para su elaboración. Palabras Clave. Asfalto, punto de ablandamiento, penetración, índice de penetración, asfalto oxidado..

(8) viii. ABSTRACT. This research project studied the oxidation of conventional asphalt, by blowing air using a batch type reactor, work in the facilities of the Laboratory of Industrial Services of the Academic Department of ehemical Engineering UNSA The research objectives were to adapt the oxidation reactor, characterizing the oxidized bitumen obtained from the process and determine the appropriate value of the variables residence time, temperature and type Asphalt Oxidation where specific. physical parameters should be evaluated as the point Softening, penetration and Flashpoint. Finally we sought to define a statistical mathematical model relating the oxidation parameters of greater influence in the penetration rate. With regard to the adaptation of the oxidation reactor, appropriate adjustments were performed for research. By the result of various experiments, it was concluded that the time of 6 hours, with a 85/100 asphalt type and temperaturas 220 and 260 o e penetration 21 and 25 was obtained with softening points of 70 and 71 o e, this result could characterize the obtained oxidized bitumen and this was the oxidized asphalt according to ASTM 0312 Type 11 Standart Specification for Asphalt Used in Roofing Keywords. Asphalt, softening point, penetration, penetration rate, oxidized bitumen..

(9) ix. INTRODUCCIÓN. El asfalto es un material viscoso, pegajoso y de color negro; su consistencia es variable, está constituido por una mezcla química compleja constituida por hidrocarburos alifáticos y aromáticos pesados, por otros compuestos orgánicos y por algunos metales, que se obtiene durante la destilación del petróleos o bien directamente del subsuelo. Se encuentra en yacimientos naturales o se obtiene por refinación del petróleo y es usado como aglomerante en mezclas asfálticas para la construcción de carreteras o autopistas (entendiéndose como aglomerante aquellos materiales capaces de generar fuerzas para unir fragmentos de una o varias sustancias o materiales y dar cohesión al conjunto por métodos físicos). También es utilizado en impermeabilizantes, material en forma de placa o lámina de distinta naturaleza (fieltros asfálticos, materiales de polímeros sintéticos, membranas de fibras orgánicas, etc.), destinado a impedir el paso del agua en forma líquida a través de la instalación.. Su oxidación industrial conlleva a la fabricación de asfaltos oxidados que son usados como impermeabilizantes y dentro del mercado nacional son poco comercializados, pero sí a nivel internacional El objetivo de este proyecto de investigación es la obtención de asfaltos oxidados a nivel laboratorio a partir de asfaltos convencionales mediante la insuflación de aire para la fabricación de membranas asfálticas, basados en los parámetros físicos penetración, punto de ablandamiento e índice de penetración, así como también evaluar los valores adecuados de tiempo, temperatura y tipo de asfalto convencional para su obtención. Este estudio se realizó en un reactor tipo batch disponible en el laboratorio de Servicios Industriales del Departamento Académico de Ingeniería Química U.N.S.A. y los análisis se realizaron en los laboratorios de SERVILAB y Petroperú S.A..

(10) X. INDICE GENERAL. DEDICATORIA. ¡¡. AGRADECIMIENTO. ¡¡¡. PRESENTACIÓN. V. RESUMEN. vi. ABSTRACT INTRODUCCIÓN. viii. ix. INDICE DE TABLAS. xiv. INDICE DE FIGURAS. xvi. INDICE DE GRÁFICAS. xviii. Pág. CAPITULO 1: GENERALIDADES. 1.1.. Antecedentes ........................................................................................... 1. 1.2.. Definición del Problema .......................................................................... 2. 1.3. Objetivos .................................................................................................. 3. 1.3.1. Objetivo General ...................................................................................... 3. 1.3.2. Objetivos Específicos .............................................................................. 3. 1.4. Justificación de la Investigación ............................................................... 4. 1.4.1. Justificación Tecnológica ......................................................................... 4. 1.4.2. Justificación Socio - Económica ............................................................. 4. 1.4.3. Justificación Ambiental ............................................................................ 4. 1.5. Hipótesis .................................................................................................. 4. 1.6. Planificación Experimental ....................................................................... 5. 1.6.1. Algoritmo de la Investigación ................................................................... 5. 1.6.2. Identificación de Variables ....................................................................... 6. CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO. 2.1. Petróleo ................................................................................................... 7. 2.1.1. Definición ................................................................................................. 7. 2.1.2. Historia .................................................................................................... 8.

(11) xi. 2.1.3. Proceso de Refinación ............................................................................. 9. 2.1.4. Productos de Petróleo ............................................................................. 12. 2.2. Asfaltos ............................................................................................. 14. 2.2.1. Definición ................................................................................................. 14. 2.2.2. Composición de los Asfaltos .................................................................... 14. 2.2.3. Producción de Asfalto .............................................................................. 17. 2.2.4. Características fisicoquímicas de los asfaltos ......................................... 19. 2.2.5. Propiedades fisicoquímicas de los asfaltos ............................................. 19. 2.2.6. Tipos de Asfaltos .................................................................................... 22. 2.2.7. Aplicaciones de los Asfaltos .................................................................... 25. 2.3. Asfaltos Oxidados .................................................................................... 26. 2.3.1. Definición ................................................................................................. 26. 2.3.2. Usos y Aplicaciones ................................................................................. 26. 2.3.3. Características fisicoquímicas de Asfaltos Oxidados ............................... 27. 2.4. Oxidación en Asfaltos ............................................................................... 27. 2.4.1. Definición ................................................................................................. 27. 2.4.2. Variables del Proceso de Oxidación ........................................................ 28. 2.4.3. Mecanismo de Reacción ......................................................................... 30. 2.4.4. Termodinámica ........................................................................................ 32. 2.4.5. Efectos en las propiedades fisicoquímicas de Asfaltos ........................... 32. 2.5. Membranas Asfálticas ............................................................................. 32. 2.5.1. Definición ................................................................................................. 32. 2.5.2. Propiedades ............................................................................................ 32. 2.5.3. Filler ......................................................................................................... 33. 2.5.4. Aplicación y usos ..................................................................................... 34. 2.6. Ensayos ................................................................................................... 35. 2.6.1. Punto de Ablandamiento ASTM D36 ....................................................... 35. 2.6.2. Penetración ASTM D 5 ............................................................................ 36. 2.6.3. Punto de Inflamación ASTM D92 ............................................................. 37. CAPITULO 3: METODOS Y MATERIALES ......................................................... 38. 3.1. Determinación de las variables ............................................................... 38. 3.1.1. Variables Independientes ........................................................................ 38. 3.1.2. Variables Dependientes ........................................................................... 40.

(12) xii. 3.2. Determinación del método o diseño experimental ..................................... 40. 3.2.1. Ventajas del método de diseño factorial lineal ......................................... 40. 3.2.2. Determinación del número de experimentos ........................................... 41. 3.2.3. Hipótesis estadística ................................................................................ 43. 3.3. Materiales ............................................................................................... 46. 3.3.1. Equipos .................................................................................................... 46. 3.3.2. Materia prima ........................................................................................... 46. 3.3.3. Materiales de Laboratorio ........................................................................ 46. 3.3.4. Reactivos ................................................................................................. 47. 3.4. Métodos de Análisis .................................................................................. 47. 3.5. Procedimiento experimental .................................................................... 47. 3.5.1. Adaptación y descripción del reactor ....................................................... 47. 3.5.2. Obtención de Asfaltos Oxidados .............................................................. 52. 3.6. Balance de masa para la reacción ........................................................... 68. 3.7. Matriz recojo de datos ............................................................................. 69. CAPITULO 4: PRESENTACION Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................... 70. 4.1. Determinación de los parámetros óptimos experimentales ..................... 70. 4.1.1. Matriz recojo de datos ............................................................................. 70. 4.1.2. Determinación de la Variable Índice de penetración IP ........................... 71. 4.1.3. Modelo de Análisis de Experimentos del tipo 2P 3m ................................ 73. 4.1.4. Análisis de Varianza ANOVA ................................................................... 73. 4.1.5. Análisis de Residuos ............................................................................... 74. 4.1.6. Decodificación del modelo escala natural ............................................... 75. 4.2. Análisis Gráfico ........................................................................................ 76. 4.3. Caracterización del Asfalto Oxidado ........................................................ 78. 4.4. Balance de masa para la reacción ........................................................... 82. CAPITULO 5: COSTOS DEL PROYECTO ................... ~ ...................................... 87. 5.1. Costos directos ....................................................................................... 87. 5.2. Costos indirectos ..................................................................................... 88. 5.3. Gastos totales .......................................................................................... 90.

(13) xiii. CAPITULO 6: DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................................. 91 CONCLUSIONES ................................................................................................. 94 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 96 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 97 ANEXOS ............................................................................................................... 99.

(14) xiv. INDICE DE TABLAS. Tabla 1. Características físico-químicas de los Asfaltos Tabla 2. Especificaciones Técnicas Asfaltos Oxidados Tabla 3. Variables Independientes Tabla 4. Factores y niveles del diseño experimental Tabla 5. Diseño factorial de la experimentación. Tabla 6. Simbolización de Resultados Tabla N° 7. ANOVA modelo factorial con tres factores (sin replicación) Tabla 8. Caracterización fisicoquímica del asfalto Petroperú 85/100 PEN Tabla 9. Caracterización fisicoquírnica del asfalto Petroperú 60170 PEN Tabla 10. Matriz para variables dependientes Tabla 11. Matriz para balance de masa Tabla 12. Matriz recojo de datos Tabla 13. Determinación del índice de Penetración Tabla 14. Resultados Tabla 15. Coeficientes para la variable respuesta Y (IP) Tabla 16. Análisis de Varianza ANOVA Tabla 17. Análisis de Residuos Tabla 18. Prueba F Tabla 19. Decodificación Tabla 20. Especificaciones Técnicas Asfaltos Oxidados.

(15) XV. Tabla 21. Balance de masa para la reacción Tiempo=120 min. Corrida 4. Tabla 22. Balance de masa para la reacción Tiempo=240 min. Corrida 8 Tabla 23. Balance de masa para la reacción Tiempo=360 min. Corrida 12 Tabla 24. Costos por la compra de la materia prima Tabla 25. Costos directos del proyecto Tabla 26. Gastos de materiales Tabla 27. Gasto de análisis de asfalto oxidado Tabla 28. Gastos por trasporte Tabla 29. Costos indirectos del proyecto Tabla 30. Gastos totales Tabla 31. Caracterización del asfalto convencional 60170 PEN Tabla 32. Caracterización del asfalto convencional 85/100 PEN.

(16) xvi. INDICE DE FIGURAS. Figura 1. Estructura de Jos asfáltenos. Figura 2. Estructura de las Resinas. Figura 3. Estructura de Jos hidrocarburos saturados. Figura 4. Estructura de Jos nafteno-aromáticos. Figura 5. Proceso de refinación del petróleo para obtención del asfalto. Figura 6. Esquema de la Membrana Asfáltica Figura 7. Aplicación de la Membrana Asfáltica Figura 8. Ensayo de Punto de Ablandamiento (ASTM 036) Figura 9. Ensayo de Penetración en Asfaltos (ASTM 05) Figura 10. Ensayo de Punto de Inflamación (ASTM 092) Figura 11. Sistema de toma de aire Figura 12. Dispersor interno Figura 13. Sistema Control de temperatura Figura 14 Conducto para gases de reacción Figura 15. Descarga del producto Figura 16. Limpieza manual Figura 17. Dimensiones de Reactor Figura 18. Sistema de oxidación de asfalto Figura 19. Tipos de Materia Prima Figura 20. Muestras obtenidas.

(17) xvii. Figura 21. Preparación de la muestra en los anillos de bronce Figura 22. Bajando todo el conjunto del aparato y muestras a 0°C Figura 23. Punto de ablandamiento (Método "Anillo y Bola'') Figura 24. Preparación de las Muestras Figura 25. Ejecución del ensayo Figura 26. Preparación del equipo y muestra Figura 27. Ejecución del ensayo Figura 28. Diagrama reológico Newtoniano.

(18) xviii. INDICE DE GRÁFICAS. Gráfico 1. IP experimental e IP formulado Gráfico 2. Gráfica de Pareto Gráfico 3. Efecto Tiempo Gráfico 4. Interacciones Tiempo de residencia en el reactor- Tipo de asfalto. Gráfico 5. Penetración, Punto de Ablandamiento vs Tiempo de residencia en el reactor. Asfalto 60170 PEN Gráfico 6. Penetración, Punto de Ablandamiento vs Tiempo de residencia en el reactor. Asfalto 60170 PEN Gráfico 7. Penetración, Punto de Ablandamiento vs Tiempo de residencia en el reactor. Asfalto 851100 PEN Gráfico 8. Penetración, Punto de Ablandamiento vs Tiempo de residencia en el reactor. Asfalto 85/100 PEN Gráfico 9. Penetración vs Punto de Ablandamiento.

(19) 1. CAPITULO 1. GENERALIDADES. 1.1 ANTECEDENTES Los asfaltos oxida·dos son usados como impermeabilizantes y dentro del mercado nacional son poco comercializados, pero si a nivel internacional. Los estudios realizados sobre los efectos que adquieren los asfaltos comunes al entrar en contacto con el oxígeno son: Gawell y Baginska, (2004) demostraron que las alteraciones en la composición química, la naturaleza coloidal de los asfaltos, e incluso los niveles de oxidación, dependen de la naturaleza química y de la tecnología de producción de los mismos. Qi y Wang, (2004) investigaron sobre la composición química de los asfaltos durante lo que ellos denominaron absorción de oxígeno. En ésta investigación los asfaltos fueron oxidados por 125 horas a 50. oc y O, 133 MPa con muestras de 1 mm. de espesor en una cabina de absorción de oxígeno. Dichas muestras se denominaron según su lugar de origen como SJS: de Shanjiasi, SHL: de Shengli, REQ: de Renqiu. Los resultados afirman que los aromáticos y las resinas de los asfaltos decrecen mientras los contenidos de asfaltenos aumentan y los contenidos de saturados varían escasamente después de la absorción de oxígeno..

(20) 2. Los aromáticos se convierten parcialmente en resinas, consecuentemente los contenidos de aromáticos disminuyen. Las resinas a su vez se convertirán en asfaltenos porque las cantidades de resinas provenientes de la transformación de aromáticos son más pequeñas que las cantidades de resinas originales que se convierten en asfaltenos (Qi y Wang, 2004; Petersen, 2000). En el Perú se producen asfaltos en la refinería de Talara, Conchán (Petroperú) y en la Refinería de La Pampilla (Respsol), aunque también tenemos otras refinerías como la refinería de !quitos y la Refinería de Pucallpa, en estas no se producen asfaltos. De estas refinerías la que tiene mayor variedad en la producción de asfaltos es la refinería Conchán, produciendo asfaltos para pavimentación y asfaltos de uso industrial. Los asfaltos que produce Petroperú, se hacen en base a especificaciones técnicas vigentes que permanentemente son actualizadas dando como resultado una calidad innovada y mejorada. En este sentido, cuidadosos y estrictos controles de calidad demuestran que los asfaltos que produce Petroperú cumplen con los requerimientos de entidades mundiales tales como: Asociación Americana de Carreteras Estatales y transportes Oficiales - Norma -. AASHTO M20/ M81 Y AASHTO MP1 (SUPERPAVE). Sociedad Americana para Ensayos y Materiales - Normas ASTM D946/D2028. Instituto Del Asfalto USA Instituto Francés de Petróleo. En razón a ello, presentan una calidad de exportación, teniendo aplicabilidad diversa y éxito en países con climas calurosos, templados, fríos y frígidos. Petroperú exporta asfalto a Ecuador, Bolivia y Chile. 1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. Los asfaltos convencionales son productos muy utilizados especialmente para la pavimentación dentro del territorio nacional..

(21) 3. La fabricación de membranas asfálticas a nivel nacional son con asfaltos modificados lo cual incrementa su valor para la comercialización, ya que estos asfaltos son modificados con polímeros y su fabricación en más especializada, por otro lado los asfaltos oxidados se convierten en productos innovadores y alternativos a los modificados por polímeros, fundamentalmente por razón de costo en su producción; sin embargo en nuestro país no se ha investigado lo suficiente al respecto, en consecuencia no se conoce a detalle el efecto de la variables Tiempo de residencia en el reactor,. Temperatura de oxidación, Tipo de. asfalto, en las propiedades fisicoquímicas que caracterizan a un asfalto oxidado como son: penetración, punto de ablandamiento y punto de inflamación.. 1.30BJETIVOS 1.3.1 Objetivo General: Obtener asfaltos oxidados a nivel laboratorio a partir de asfaltos convencionales mediante la insuflación de aire para. 1~. fabricación de membranas asfálticas.. 1.3.2 Objetivos Específicos: Caracterizar el reactor de oxidación. Caracterización o identificación del asfalto convencional tipo 60/70 y 85/100, materia prima utilizada en la obtención del asfalto oxidado. Determinar el valor adecuado de las variables tiempo de residencia en el reactor, temperatura de oxidación y tipo de asfalto, en el cual debe evaluarse parámetros físicos. específicos. como. el. Punto. de. Ablandamiento,. Penetración y Punto de Inflamación. Caracterizar el asfalto oxidado obtenido. del proceso, contrastando sus. resultados con las especificaciones técnicas que especifican su uso como membranas asfálticas..

(22) 4. 1.4JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACIÓN 1.4.1 Justificación Tecnológica. Si bien en los últimos años se han estado investigando sobre la fabricación de membranas asfálticas, pocos son los estudios que se han realizado de los asfaltos oxidados y mucho menos de su fabricación, es por ello que es necesario buscar nuevas tecnologías para innovar en la fabricación de membranas asfálticas a base de asfaltos oxidados. 1.4.2 Justificación Socio-Económica. La fabricación. de membrana asfáltica, de distintos tipos y para diferentes. necesidades, es sin dudas la que más éxito ha tenido en la industria de la Impermeabilización. Y desde hace ya muchos años sigue ofreciéndole al mercado un producto fabricado en proceso de continúo con tecnología de punta y de excelente calidad. Pero al ser fabricada a base de asfaltos modificados las hace más costosas con respecto a los asfaltos oxidadol:) ya que estos los primeros son modificados con polímeros que varían su costo dependiendo del polímero que usen para agregar y modificar el asfalto. 1.4.3 Justificación Ambiental. El uso de asfaltos oxidados presenta como ventaja la disminución de consumo de polímeros, tiene baja toxicidad y bajo impacto ambiental ya que su fabricación requiere de asfalto convencional y oxígeno obtenido del aire. 1.5 HIPÓTESIS. La membrana asfáltica es un impermeabilizante. muy resistente utilizado en. diferentes superficies; para su aplicación en techos, canales de regadío, sellantes de juntas y otros, fabricadas a base de asfaltos modificados con polímeros, pero otra alternativa es fabricarlas a base de asfaltos oxidados. Es de esperarse que al conocer el efecto de las variables en estudio (Tiempo de residencia en el reactor, temperatura de oxidación, tipo de asfalto), se pueda lograr un producto compatible y dentro de las especificaciones que caracterizan a un asfalto modificado de uso como membranas asfálticas pero que corresponden a un asfalto oxidado..

(23) S. 1.6 PLANIFICACIÓN EXPERIMENTAL 1.6.1 Algoritmo de la investigación. [. J. Inicio. Análisis del problema. r-· --Definición!-Proble;.--l ..... ¡--:-------------------~- ----~~~=~~J 1 uefinición de objetivos de la Investigación L____. -------------------. l_ldentificación de. ~i;;;b¡;;;-sig~;l;~tivas. !. --. -·----~. ---------,. l. Relación entre variables. 1. -- - - - - - - -· -----·-----~---- J. j. Recopilación y !ffil:ación dMal. _j. Información. 1. ------~f=~=~J--. ~!!!!!'!!!!!!!!!!!!!!!!'11. Hipótesis •. l1. 1 !.~~o:efi~===!t ·-___-_- -] Plan=.. L_ _ _. Exoeril'!!ental _. _ t_ ____. ~arrollo de la. ]. L-~~erimentación. !obtención de Resultados. L - - - - - - - ---------------. [ Análisis. detes~ltact~-~ ---------. ----!'~---. ...__. _/. <::_/-. /". '-..... ,_. ---¿Hipótesis correcta?. .....-~/. ........................ _................ .------". --/'. ~. l___. Si. Model~ ~~tel'!!~tic~__j. t. ¡---- - ¡. i Fin 1 L___l. No.

(24) 6. 1.6.2. Identificación de variables Variables independientes:. -. Tiempo de residencia en el reactor.. -. Temperatura de oxidación.. -. Tipo de asfalto.. Variables Dependientes: Punto de Ablandamiento Penetración Índice de Penetración Punto de Inflamación. Parámetros: Presión de Operación: 99.6 kPa -. Cantidad de Materia Prima: 800ml Flujo de aire: 55cm3/s. -. Temperatura de ingreso del aire: 20oc.

(25) 7. CAPITULO 2. MARCO TEÓRICO. 2.1 PETRÓLEO: 2.1.1 Definición:. El petróleo es un líquido viscoso de color verde, amarillo, marrón o negro, constituido por una mezcla de hidrocarburos, compuestos que contienen en su estructura molecular, principalmente, carbono e hidrógeno. El número de átomos de carbono y la forma en que están colocados dentro de las moléculas de los diferentes compuestos, proporciona, al petróleo diferentes propiedades físicas y químicas. Así tenemos que los hidrocarburos compuestos por uno a cuatro átomos de carbono son gaseosos, los que contienen de cinco a veinte son líquidos y los de más de veinte son sólidos a la temperatura y presión ambientales. El petróleo crudo varía mucho en su composición, la que depende del tipo de yacimiento de donde provenga, no se han encontrado nunca dos yacimientos petrolíferos que tengan exactamente la misma composición, ya que, junto con hidrocarburos, hay a menudo otros compuestos oxigenados, nitrogenados y otros compuestos orgánicos con elementos como el azufre, el níquel o el vanadio. En promedio, podemos considerar que contiene entre 83 y 86% de carbono y entre 11 y 13% de hidrógeno..

(26) 8. Además del carbono e hidrógeno, la composición del petróleo incluye derivados del azufre y pequeñas cantidades de compuestos con átomos de nitrógeno, o de metales como hierro, níquel, cromo, vanadio y cobalto, entre otros. Todos éstos constituyen impurezas que acarrean inconvenientes en las etapas de refinación y en el uso final de los derivados del petróleo. Asimismo,. el. petróleo. crudo. contiene. cantidades. apreciables. de. sales,. principalmente cloruros, lo que constituye un problema para el refinador, ya que su presencia implica corrosión y taponamiento de equipos. Por ello, al entrar en el proceso de refinación, el crudo es sometido a un primer proceso de desalado. 2.1.2 Historia: El petróleo es conocido desde la antigüedad. Según la Biblia, Noé impermeabilizó su arco con un derivado del petróleo, el betún. La historia explica también que los pueblos de Mesopotamia, sumarios y acadios hacían comercio con los asfaltos, las naftas y los betunes, y que al sur del actual Irán ya había una especie de pozos de petróleo 500 años antes de Jesucristo, que los chinos buscaban bajo tierra, utilizando cañas de bambú y tubos de bronce, y lo utilizaban para usos domésticos y la iluminación. Los fenicios comerciaban con petróleo que obtenían a las orillas del mar Caspio, y los griegos destruían las flotas enemigas vertiendo petróleo al mar y prendiendo fuego. El primer pozo de petróleo "moderno" lo perforó, en 1859, Edwin Drake en Pensilvania, en los Estados Unidos .. Este descubrimiento estimuló la actividad de la perforación de pozos conocida como la fiebre del petróleo, alcanzando una producción de 25.000 toneladas un año más tarde. Este aceite mineral empezó a entrar en juego como recurso energético a finales del siglo XIX, época en que era utilizado para la iluminación, en su forma de queroseno. El 2 de noviembre de 1863, el lng. Civil E. A. Prentice perfora el primer pozo para petróleo en el Perú, en la región de Zorritos, al Noreste del país. Este pozo fue perforado con el sistema a cable, alcanzando una profundidad de 24 metros y se usó para producir kerosene, fue el segundo a nivel mundial..

(27) 9. El gran cambio histórico se produjo cuando aparecieron los motores de explosión (Daimier, 1887) y de combustión (Diesel, 1897), que permitieron el desarrollo espectacular de nuevos sistemas de transporte por tierra y aire, y la sustitución de los combustibles tradicionales por derivados del petróleo tanto en el transporte marítimo, como en el terrestre (ferrocarril) y en la industria. 2.1.3 Proceso de Refinación:. La refinación del petróleo se inicia con la separación del petróleo crudo en diferentes fracciones de la destilación. Las fracciones se tratan más a fondo para convertirlas en mezclas de productos con los derivados del petróleo netamente comerciables y más útiles por diversos y diferentes métodos. Hay muchos procesos posibles para que el refinador utilice y la elección final de ellos depende del petróleo crudo disponible y de los productos requeridos tanto en calidad como en cantidad. La evolución de los requerimientos para los productos (por ejemplo mayores octanos en las naftas o menor contenido de azufre del gasoil) hace que la refinería introduzca nuevos procesos o modifique los existentes. Los procesos disponibles para la refinación del petróleo crudo pueden dividirse en procesos de separación o físicos y en procesos de conversión o químicos. 2.1.3.1 Procesos Físicos a. Destilación primaria. El primer paso en la refinación de petróleo es la destilación o fraccionamiento del crudo. Se basa en que distintas moléculas hierven a distintas temperaturas pasando de líquido a vapor y viceversa. Utilizando este principio es posible separar fracciones de distinto punto de ebullición. En una refinería, el petróleo crudo se destila en una torre de acero llamada "columna de fraccionamiento". El crudo ingresa a la columna de fraccionamiento a una temperatura aproximada de 370°C y parcialmente vaporizado. Los vapores formados van ascendiendo a través de la columna y la temperatura va descendiendo gradualmente hacia la parte superior..

(28) 10. El interior de la columna está dividido por bandejas horizontales con orificios, conocidos como "platos", estos permiten el ascenso del vapor y retienen el líquido ya condensado sobre cada bandeja. A medida que los vapores suben pierden calor y su temperatura va descendiendo, y las distintas fracciones se van condensando, convirtiéndose nuevamente en líquido. Los 1íquidos condensados van cayendo por gravedad de plato a plato y se recogen en bandejas de diseño especial. La destilación es un proceso continuo, las fracciones que más se elevan en la columna se denominan "ligeras" o "livianas" y las que se condensan en las bandejas inferiores, "pesadas". La fracción más ligera que sale por el tope de la columna es el gas de refinería y es utilizada como combustible en los hornos de refinería, luego aparecen los gases licuados de petróleo, propano y butano (GLP), que se utilizan para carga de los tanques de gas y como materia prima para la industria química. Luego sigue la nafta, llamada nafta virgen, que no tiene las propiedades necesarias para usarse en motores de combustión y debe ser sometida a procesos químicos posteriores para obtener la calidad que requiere el mercado. El kerosene es una fracción ligeramente más pesada. Esta misma fracción debidamente tratada y purificada se convierte en " Turbo", que es el combustible básico de los aviones. Un poco más pesado aún es el gasoil, utilizado como combustible en los motores diesel. Las fracciones más pesadas se extraen de la base de la columna y son llamadas "combustibles pesados". Esta primera destilación en la columna de fraccionamiento es solo el comienzo del proceso. Muchos de los productos separados se vuelven a destilar para purificarlos o para asegurar una separación más completa..

(29) 11. b. Destilación al Vacío. Los combustibles pesados, obtenidos por el fondo de la fraccionadora de crudo, contienen moléculas cuyo punto de ebullición a presión atmosférica es muy alto y si intentáramos destilarlas, la energía necesaria para alcanzar la vaporización también rompería las moléculas (craqueo). Para evitarlo se utiliza un principio de la naturaleza que postula que: "el punto de ebullición es menor a menor presión". Entonces en las columnas de destilación se reduce la presión muy por debajo de la atmosférica y los combustibles pesados se destilan de nuevo al vacío minimizando el craqueo. Así se obtienen distintas fracciones que se utilizan como materia prima de los aceites lubricantes, el asfalto y otros productos de alimentación para procesos subsiguientes. c. Procesos de conversión (Químicos). La moderna tecnología de la refinación excede la simple separación de los diversos productos que se encuentran en el petróleo crudo y el refinador, a través de procesos de conversión, cambia la estructura química de algunas fracciones y modifica su rendimiento de modo que se adecue a la demanda. d. Hidrotratamiento.. A los fines de elaborar productos más amigables con el medio ambiente, o como paso intermedio para eliminar elementos que afectan el desempeño de procesos posteriores, se somete a las naftas, el kerosene y el gasoil a un proceso llamado hidrotratamiento. El objetivo principal es remover azufre, este proceso contacta las corrientes con hidrógeno en presencia de un catalizador y temperaturas alrededor de 350°C. Finalmente el azufre removido se convierte, con otro proceso, en un líquido de alta pureza que se vende a la industria local. En particular, el hidrotratamiento permite obtener un gasoil con menos de 1O partes por millón de azufre removiendo más del 99.5 % del azufre de la corriente original..

(30) 12. e. Craqueo y Reformación. Dentro de los procesos de conversión se encuentran los conocidos como cracking o "craqueo", que rompen y reacomodan las moléculas grandes de las fracciones pesadas haciéndolas más pequeñas. Esta acción se produce aplicando calor en forma controlada y se la conoce como "craqueo térmico". Cuando se hace en presencia de un catalizador (una sustancia que ayuda a que se produzca un cambio químico sin cambiar ella misma), se habla de "craqueo catalítico". El craqueo catalítico permite, mediante la selección del catalizador, manipular la ruptura y el reacomodamiento de las moléculas, haciendo más selectivo y eficiente el proceso. De esta manera se obtienen, a partir de un aceite pesado, naftas de alta calidad, gasoil y gases útiles para la industria petroquímica (por ejemplo: propileno para la elaboración de polipropileno ). 2.1.4 Productos del Petróleo a. Transporte. Los carburantes que se utilizan en todo el mundo para impulsar los diferentes medios de transporte: automóviles, motocicletas, camiones, barcos, aviones o trenes- son las gasolinas, los gasóleos y los querosenos, carburantes con que se alimentan los motores, que transforman la energía térmica contenida en los hidrocarburos en movimiento. b. Domestico. Como combustible, el petróleo está presente en algunos hogares en forma, principalmente, de gases licuados del petróleo o GLP. Se trata del propano (C3H8) y del butano (C4H1 0). Fuera del grupo de combustibles, se encuentran los asfaltos, una de las fracciones molecularmente más pesadas obtenidas de la destilación del petróleo, que se utiliza.

(31) 13. como material de recubrimiento de las carreteras, y los aceites lubricantes con los que se engrasan los engranajes de los motores de todas las máquinas, a fin de prolongar su vida útil. c. Industrial. En las industrias, el petróleo está presente, tanto en forma de combustible, gasóleo, GLP, fueloil y coque, como en forma de productos derivados que son la materia prima de otros procesos. El fueloil es un combustible residual y pesado y se utiliza como fuente de energía en las calderas industriales y los motores de cogeneración. El coque es un combustible sólido que se usa fundamentalmente en las industrias cementera y cerámica. d. Petroquímica. Los plásticos son los productos petroquímicos más representativos. Se obtienen a partir de un proceso de polimerización de hidrocarburos. La utilización de los plásticos se ha extendido a dominios tan diferentes como el de los envases y embalajes, las pinturas, las fibras sintéticas y permite gozar de una gran variedad de objetos de uso común como los recipientes, las bolsas, los juguetes, etc. La. actividad de la industria petroquímica proporciona una amplia gama de. productos, tanta o más importante que los plásticos: • Los detergentes, jabones y blanqueadores. • Los fertilizantes, herbicidas, insecticidas y funguicidas usados en la agricultura. • Algunos perfumes, colorantes y saborizantes. • El caucho sintético, utilizados para la fabricación de los neumáticos. • Productos farmacéuticos fúngicos, antibióticos y antivíricos, analgésicos, estimulantes, coagulantes, tranquilizantes, etc..

(32) 14 2.2 ASFALTOS: 2.2.1 Definición:. De acuerdo a la "American Society for Testin and Material" ASTM, Bitumen se refiere a: "Mezclas de hidrocarburos de origen natural o pirogénico o combinaciones de ambos, frecuentemente acompañado por sus derivados no metálicos, los cuales pueden ser gaseosos, líquidos, semisólidos o sólidos y los cuales son completamente solubles en disulfuro de carbono"(Book of ASTM Boston 1971) Los bitúmenes abarcan tanto asfaltos como breas, variando desde líquidos a sólidos en consistencia. El asfalto está definido por "American Society for Testin and Material" ASTM Como: "Material cementoso negro o marrón oscuro, sólido o semisólido en consistencia, en el cual los constituyentes predominantes son bitúmenes que se encuentran en la naturaleza como tales o. so~. obtenidos como residuo en la refinación del. petróleo". (Book of ASTM Boston 1971 ) 2.2.2 Composición de los Asfaltos:. Los asfaltos están constituidos por un gran número de hidrocarburos de diferente peso molecular, los cuales se encuentran disueltos entre sí, formando una estructura coloidal de asfalto y contienen los siguientes dos grupos básicos • Los asfáltenos (hidrocarburos poli-aromáticos) • Los maltenos o petrolenos (resinas, hidrocarburos saturados, aromáticos) a. Asfáltenos. Están constituidos por compuestos sólidos y semisólidos, amorfos y frágiles, de color negro marrón. Consiste en moléculas de alto peso molecular que brindan una fuerte polaridad, facilitando la atracción entre ellos y generando una forma de fluir muy compleja. Contienen los elementos como el carbono, nitrógeno, azufre, hidrogeno, oxígeno y átomos de metales como el vanadio, níquel, hierro, titanio, manganeso, no metales, fósforo, silicio y otros..

(33) 15. Figura 1. Estructura de los asfáltenos.. Los asfáltenos son sólidos constituidos por compuestos poli ciclo-aromáticos de alto peso molecular y alta polaridad y se definen por la respectiva solubilidad e insolubilidad de ésta fracción en hidrocarburos livianos como n-pantano, n-hexano o n-heptano. Así, los 'asfáltenos de n-pantano' difieren en su composición química de los 'asfáltenos de n-hexano' y de los 'asfáltenos de n-heptano'. Para distinguir los asfáltenos, la definición operacional incluye su solubilidad en tolueno. Los componentes insolubles en tolueno ·pero solubles en disulfuro de carbono se denominan 'carbenos', y aquellos insolubles en disulfuro de carbono son llamados 'carboides' (Aitgelt, 1994). b. Maltenos. Nombre genérico que se da a la fracción más grande del asfalto soluble en nalcanos de bajo peso molecular. Es la fase aceitosa del asfalto y el medio de dispersión de los asfáltenos. Tienen marcada influencia en las propiedades químicas y reológicas del asfalto, y algunos de sus componentes le dan adhesividad, aglutinación y flexibilidad. Los maltenos están constituidos por la mezcla de fracciones de hidrocarburos saturados, nafteno-aromáticos y resinas..

(34) 16. b.1 Resinas. Hidrocarburos aromáticos de color marrón oscuro intenso, semisólidos o sólidos y de alta densidad. Son frágiles a altas temperaturas y sensibles a los cambios de temperatura. Las resinas actúan como agentes peptizantes de los asfáltenos e influyen en las propiedades de consistencia de los asfaltos, tales como: punto de ablandamiento, ductilidad y además la susceptibilidad térmica del asfalto. Figura 2. Estructura de las Resinas.. b.2 Hidrocarburos Saturados. Estos compuestos alifáticos son líquidos incoloros formados por cadenas lineales, ramificadas de parafinas. También preséntan inclusiones de anillos nafténicos. Los compuestos saturados son hidrocarburos de contenido bajo de azufre y de menor polaridad. que. los. aromáticos,. también. actúan. como. antioxidantes. e. impermeabilizantes, son de menor poder de adherencia y causan deformidad en el asfalto bajo la influencia de la carga, el transporte y el clima. Disminuyen la viscosidad y la susceptibilidad térmica,. pero aumentan las propiedades. plastificantes y floculantes del asfalto.. Figura 3. Estructura de los hidrocarburos saturados.. CH.

(35) 17. b.3 Hidrocarburos Nafteno-Aromáticos. Son compuestos líquidos, amarillos o rojos con estructuras químicas complejas, que contienen núcleos aromáticos con conjuntos condensados de anillos naftenicos. Representan la mayor proporción del medio de dispersión para los asfáltenos peptizados dentro del coloide. El contenido de la parte naftenica varía entre 15-50% con dos a cinco núcleos por moléculas. El número de núcleos aromáticos oscila entre cuatro y cinco. Algunos de estos compuestos pueden tener oxígeno y azufre, los cuales hacen el puente entre los anillos aromáticos y naftenicos. Su influencia en las propiedades del asfalto, tales como, punto de ablandamiento e índice de penetración es poca, pero aumenta la viscosidad y la susceptibilidad térmica; también generan flujo complejo del asfalto en los ensayos geológicos. Figura 4. Estructura de los nafteno-aromáticos.. 2.2.3 Producción de Asfalto:. Existen varios procedimientos de fabricación de asfaltos a partir del petróleo. - La destilación de crudos elegidos por su rendimiento en cortes pesados. Los se obtienen de los residuos de la destilación a presión reducida, utilizando como alimentación residuos de destilación atmosférica. Contrariamente a lo que pasaba hace una decena de años, ahora es posible obtener todas las clases de asfaltos por este procedimiento, incluyendo los grados duros. - El desafaltado con disolventes. Se trata de extraer de un residuo de vacío o de un destilado pesados las fracciones más pesadas, que servirán para fabricar los asfaltos; la separación está basada en la precipitación de los asfáltenos y la.

(36) 18. solubilización del aceite en un disolvente de tipo alcano; los disolventes empleados son propano, el butano o una mezcla de propano y butano; eligiendo la naturaleza del producto de carga y regulando las condiciones del desasfaltado, especialmente la temperatura y la presión. Es posible obtener por este procedimiento diferentes grados de asfalto. - El soplado consiste en hacer soplar aire en contracorriente en una carga bituminosa a fin de oxidarla, el resultado de esta operación es la formación de moléculas de alto peso molecular de estructuras diferentes de las de producto inicial; así es posible obtener los grados duros con un punto de reblandecimiento muy elevado.. Figura 5. Proceso de refinación del petróleo para obtención del asfalto.. Pozo de Polt'óleo. DIAQRAMA DE FLUJO PARA ASFALTO DE PETROLEO. Go• Pctróloo. ArennyAgua. Asfaltos Emulslfic&dos. Aguo.. Emulslonos.

(37) 19. 2.2.4 Características fisicoquímicas de los Asfaltos:. En la siguiente tabla, se presentan las características físico-químicas más importantes de los asfaltos.. Tabla 1. Características físico-químicas de los Asfaltos Desciipción. Camcterísticas. Mezcla de lúdrocarburos sólidos o semisólidos.. Fónuula Apariencia. color y olor. De viscoso a sólido (a temperaturn estándar de 15.6 °C), de color marrón a negro y olor residual.. GravecL1d específica a 15.6 oc Plmto de ebullición. 0.9-1.1 37} °C (700 °f). Plmto de con2:elamiento. Variable. Presión de Vapor REID. Variable. Solubilidad en a2:ua. Insoluble. Familia qtúmica. Hidrocarburos. . Fuente: Catálogo Asfaltos -.PETROPERU S.A.. 2.2.5 Propiedades Fisicoquímicas de los asfaltos: a. Densidad. Es bien conocido que la densidad de los productos del petróleo es un parámetro físico-químico que, junto con otros índices de propiedades caracterizan la calidad y composición del producto. Los valores de densidad de los asfaltos son necesarios para determinar la expansión térmica y los coeficientes de encogimiento, los puntos en que se hacen quebradizos, las propiedades aislantes al calor y el sonido, y el contenido de asfaltos en mezclas con agregados. Existen varios métodos para medir la densidad, la elección del método depende de la cantidad de muestra disponible, viscosidad, exactitud deseada del ensayo y el tiempo requerido para el análisis..

(38) 20. b. Penetración. La penetración es una de las pruebas más importantes aplicadas al material asfáltico en la que se determina su dureza, consistencia y sus características de flujo. Contribuye a predecir la adaptabilidad del asfalto al uso propuesto y es útil junto con el punto de ablandamiento y la gravedad específica para distinguir diferentes tipos de asfaltos, ubicar el asfalto en grado estipulado y así poder controlar su calidad. El instrumento usado en la medición de la penetración en todos los laboratorios es el penetrómetro. c. Punto de ablandamiento. Los asfaltos son materiales termoplásticos, por lo cual no poseen un punto de fusión exacto como sucede con los compuestos químicamente puros. Los asfaltos o bitúmenes se licúan, pero la transición de sólido a líquido es suave, y cubre un alto rango de temperaturas. El punto de ablandamiento se define como el límite superior de ·dicho rango; es la temperatura en la que alcanza un determinado estado de fluidez. Esta propiedad da idea de la adaptabilidad del asfalto cuando está sujeto al calor y sirve como un control rápido en las operaciones de manufactura. El método del anillo y la bola es generalmente usado para determinar el punto de ablandamiento de los asfaltos. d. Ductilidad. La ductilidad indica la capacidad de un asfalto para doblarse hasta romperse. El ensayo sirve para indicar la conveniencia del asfalto para pavimentos, recubrimientos y techados, para uso como adhesivos y para medir la calidad en general del asfalto. e. Punto de inflamación. El punto de inflamación corresponde a la temperatura a la que el asfalto puede ser calentado con seguridad, sin peligro a que se inflame en presencia de una llama. Esta temperatura es más baja que la necesaria para que el material entre en combustión, por lo tanto este análisis sirve como prueba de seguridad en la operación de las plantas asfálticas en caliente. También sirve para obtener una.

(39) 21. aproximación del contenido de las fracciones livianas. El punto de inflamación se mide generalmente mediante la copa Cleveland.. f. Viscosidad Es la medida de la resistencia de un fluido a fluir. Sobre esta base, la viscosidad define la adaptabilidad de un producto asfáltico para un propósito dado. La viscosidad de un cemento asfáltico a las temperaturas usadas en mezclados con agregados (normalmente 135°C) se mide con viscosímetros capilares de flujo inverso o viscosímetros Saybolt; la viscosidad absoluta del material asfáltico; a las temperaturas altas de servicio (60°C), generalmente se mide con viscosímetros capilares de vidrio al vacío. g. Susceptibilidad térmica Los cementos asfálticos utilizados en pavimentación son materiales termoplásticos, cuya consistencia a muy bajas temperaturas, es la de un sólido rígido, visco elástico a temperaturas intermedias y liquido viscoso a altas temperaturas, lo que hace importante conocer la variación de la consistencia con respecto a la temperatura. Los asfaltos que en su proceso de elaboración han sido sometidos al soplado con aire, tienen consistencias que poco cambian con la temperatura que aquellos que han sido obtenidos por refinación directa u otros procedimientos en donde no interviene el soplado.. La forma más usual para evaluar el cambio de la. consistencia del asfalto con la temperatura es el índice de penetración. h. Adherencia La adhesión se define como la capacidad que tiene un material para unirse a otro por contacto físico. En el caso de los asfaltos, es la capacidad que tiene dicho asfalto para unirse con material mineral. Los fenómenos de adherencia están relacionados con la presencia de moléculas tenso activas o polares en las sustancias y estos comprenden tanto aspectos físicos como químicos. En lo que se refiere a la parte química, se tienen prueba de la presencia de ácidos orgánicos y componentes básicos en forma de bases nitrogenadas, los cuales le confieren al asfalto un carácter negativo en presencia de agua. Cuando se pone en contacto el asfalto con un mineral cuya superficie.

(40) 22. presenta polaridad positiva, se produce fuerzas de atracción electrostática, facilitando de esta forma la adhesión.. 2.2.6 Tipos de Asfaltos: Los tipos de asfalto refinado producidos por destilación directa son los siguientes: Se producen otros asfaltos directamente de los cementos asfálticos, disolviéndolos en destilados volátiles; esos productos se llaman asfaltos rebajados y cuando contienen solventes tipo nafta o gasolina dan lugar a asfaltos líquidos de curado rápido y aquellos que contienen keroseno como solvente darán asfaltos de curado medio.. a. Asfaltos rebajados de fraguado rápido (FR) Los asfaltos rebajados de fraguado rápido son cementos asfálticos diluidos con un destilado de petróleo tal como la gasolina, que se evapora rápidamente. Los productos de curado rápido se emplean cuando se desea un cambio rápido del estado líquido de aplicación al cemento asfáltico original. Los tipos de asfalto de fraguado rápido varían de FR-0 a FR-4, las consistencias, temperaturas de aplicación, porcentajes de disolventes y penetraciones del cemento asfáltico original son casi similares a las de las designaciones comparables de la serie FM. La penetración del residuo después de la destilación se aproxima a la del asfalto original.. b. Asfaltos rebajados de fraguado medio (FM) Los asfaltos rebajados de fraguado medio, son cementos asfálticos rebajados o diluidos a una mayor fluidez mezclándolos con destilados del tipo keroseno o el aceite diesel ligero que se evaporan a una velocidad relativamente baja. Los productos de fraguado medio tienen buenas propiedades humectantes que permiten el revestimiento satisfactorio de los agregados en forma de polvos de graduación fina. La consistencia de los asfaltos de fraguado r:nedio varía desde (FM-0) hasta casi semisólidos (FM-4).. líquidos. ligeros.

(41) 23. c. Asfaltos rebajados de fraguado lento (FL} Los asfaltos rebajados de fraguado lento son destilados de petróleo con las fracciones volátiles ligeras separadas en gran medida. Los asfaltos de fraguado lento se endurecen o fraguan muy lentamente y se emplean cuando se desea una consistencia casi igual a la del aglutinante mismo, tanto en el momento del tratamiento como después de un período de curación. La consistencia de los asfaltos de fraguado lento a las temperaturas normales varía desde líquidos ligeros (FL-0), hasta semisólidos (FL-4).. d. Otros tipos de asfaltos Emulsión Asfáltica Las emulsiones asfálticas, es un sistema heterogéneo de dos fases normalmente inmiscibles cuyo fluidificante es el agua, como son el asfalto y el agua, se le incorpora una pequeña cantidad de un agente emulsificador, generalmente de base jabonosa o solución alcalina, el cual mantiene estable el sistema de las fases continuas, que es el agua, y discontinua que está constituida por pequeños glóbulos de asfalto en suspensión, de un tamaño que fluctúa entre 1 y 1O micrones. La cantidad de emulsificantes y aditivos químicos utilizados varia generalmente de 0.2% a 5% y la cantidad de asfalto es del orden del 95%. Las emulsiones asfálticas se calcifican según el tipo de carga de la partícula y tiempo de quiebre. En cuanto a la carga de partícula, pueden ser: - Catiónicas. - Aniónicas. Y en cuanto al tipo de quiebre: - Quiebre rápido. - Quiebre medio. - Quiebre lento..

(42) 24. Asfalto oxidado Estos son asfaltos que han sido sometidos a un proceso de deshidrogenación y posteriormente a un proceso de polimeración. Este asfalto es expuesto a una elevada temperatura pasándole una corriente de aire con el objetivo de mejorar sus características y ser empleado en aplicaciones mas especializadas. Asfalto Modificado 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 interface entre el matericll pétreo y el material asfáltico, conservándola aun 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. Roca asfáltica Roca porosa como, por ejemplo, arenisca o caliza que se ha impregnado con asfalto natural a lo largo de su vida geológica. Asfalto natural (Nativo) Asfalto que se da en la naturaleza y que se ha producido a partir del petróleo por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles dejando las asfálticas. Los asfaltos naturales, se han producido a partir del petróleo, pero por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles, dejando las asfálticas solamente..

(43) 25. Estos pueden encontrarse como escurrimientos superficiales en depresiones terrestres, dando origen a los lagos de asfalto, mezclados con elementos minerales. Cementos asfalticos (C.A). Son hidrocarburos semisólidos que quedan después de que los aceites lubricantes y así como también los aceites combustibles, han sido separados del petróleo. 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. Las consistencias de los cementos asfálticos se dan en términos de la penetración, que es la distancia que una aguja normal penetra en una muestra bajo condiciones conocidas de carga, tiempo y temperatura. La calidad más blanda comúnmente empleada para pavimentación es el de penetración 200-300, la más dura es la penetración 30-40. 2.2.7 Aplicaciones de los Asfaltos:. Existen dos grandes grupos de uso de los asfªltos: - Aplicaciones en carreteras. En este uso se utilizan asfaltos puros, asfaltos fluidificados así como emulsiones: para cada uno de estos productos se utilizas técnicas muy específicas de aplicación; conviene añadir a esta vista la utilización de asfaltos modificados aunque este producto se adapta mejor a pequeñas superficies. Pistas, etc., que las calzadas. Después de la mitad de los años 80, el asfalto soplado no encuentra mercado en construcción de carreteras. - Aplicaciones industriales, para las que se usan mucho los asfaltos soplados. Citaremos entre las aplicaciones industriales. - Trabajos de impermeabilización, como para proteger obras de arte o tejados y terrazas; se pueden utilizar asfaltos modificados, a menudo colocados en capas con papel de estraza, o de asfalto oxidado o modificado, generalmente con.

(44) 26. polímeros; estos asfaltos modificados se utilizan para la fabricación de láminas de impermeabilizantes multicapa industriales. - Juntas para sellado de grieta, en particular en carreteras; para esto se utilizan mezcla de asfaltos, aceites pesados de polímeros o de azufre. - Insonorización y en la construcción, el automóvil o los electrodomésticos, por ejemplo. - Aislamientos eléctricos con asfaltos oxidados; cables eléctricos, condensadores, pilas eléctricas o baterías de acumuladores. - Pinturas y asfaltos bituminosos que se prepara de un betún duro de un disolvente ligero y muy ligero 2.3 ASFALTOS OXIDADOS: 2.3.1 Definición:. Los asfaltos soplados u oxidados se producen cuando se hace pasar aire a través de los materiales asfálticos calientes, esto con el fin de darle las características necesarias para ciertos usos especiales. Tienen. punto de ablandamiento superior a los asfaltos normalmente refinados. de penetración comparable,. lo que los hace adecuados para revestimientos de. techos y otras aplicaciones similares. 2.3.2 Usos y Aplicaciones:. Los asfaltos oxidados son usados generalmente para fines industriales como impermeabilizantes, películas protectoras, etc. Aplicaciones en techados, revestimientos de cañerías, sub. sellados asfálticos para rellenar cavidades debajo de pavimentos rígidos (hormigón) y como protección anticorrosivo para fundaciones de tanques, columnas y otras construcciones, y al relleno de juntas de los pavimentos de concreto hidráulico..

(45) 27. 2.3.3 Características fisicoquímicas de los Asfaltos Oxidados: Tabla 2. Especificaciones Técnicas Asfaltos Oxidados Método de. Propiedades Punto de Ablandamiento,. oc. Punto de Inflamación,. oc. Penetración a 25°C,100g, Ss, 1/10 mm. Tipol. Tipo 11. Tipo 111. Tipo IV. Ensayo. Min. Max. Min. Max. Min. Max. Min. Max. ASTM 036. 57. 66. 70. 80. 85. 96. 99. 107. ASTM 092: 260. .... 260. .... 260. .... 260. . ... ASTM 05. 18. 60. 18. 40. 15. 35. 12. 25. 10. .... 3. .... 2.5. .... 1.5. . ... 99. .... 99. .... 99. .... 99. .... Ductilidad a 25°C, 5. ASTM. cm/min, cm. 0113. Solubilidad en. ASTM. Tricloroetileno, %. 02042. Fuente: ASTM 0312 Standard Specification for Asphalt Used in Roofing.. 2.4 OXIDACIÓN EN ASFALTOS: 2.4.1 Definición: La oxidación de los asfaltos es un proceso en el cual un material asfáltico es burbujeado con aire en un rango de temperatura de 232-280°C con el fin de variar sus propiedades y adecuarlos para aplicaciones especiales. Las principales propiedades del asfalto que varían durante el proceso de oxidación son: el punto de ablandamiento, la susceptibilidad con la temperatura, la viscosidad, la gravedad específica, la ductilidad y la composición química. Mientras que la oxidación se refiere a la reacción química del oxígeno que logra penetrar en la mezcla asfáltica para formar moléculas del grupo carbonilo. Este último proceso es la oxidación propiamente dicha, y es el . responsable de la alteración en las propiedades físicas y reológicas dei asfalto (Domke et. al., 2000 y Parada et. al., 2005)..

(46) 28. 2.4.2 Variables del Proceso de Oxidación Debido a la compleja estructura del asfalto existe un gran número de variables las cuales pueden ajustar o controlar para obtener un producto con las especificaciones requeridas de calidad. Pero todas estas variables no afectan con la misma intensidad la calidad del producto. Las variables son: la temperatura de oxidación, tipo de asfalto, tiempo de residencia en el reactor, el flujo de aire, nivel del líquido, presión, dispersión del gas.. a. Temperatura de oxidación: La temperatura de oxidación apropiada depende de la composición del asfalto a oxidar. El rango de temperatura para oxidación de asfaltos oscila entre 175-288°C en la industria, preferiblemente de 232-280°C. Como en otras reacciones orgánicas un incremento en la temperatura de operación acelera la velocidad de la reacción y reduce el tiempo de soplado con aire. Sin embargo el aumento de la temperatura en el proceso de oxidación de asfaltos deteriora la calidad del producto, debido a que este presenta una mayor susceptibilidad a los cambios con la temperatura. La temperatura de oxidación no debe ser mayor a 280°C ya que puede existir la posibilidad de que se presente degradación térmica o el inicio del craqueo del asfalto. Las temperaturas de oxidación demasiado altas llevan a la formación de compuestos sólidos, de carbenos y carboides que son indeseables en los asfaltos.. b. Tipo de asfalto:. El asfalto es una mezcla compleja de hidrocarburos, aun así pueden dividirse según el tipo de moléculas que las componen.. El carácter que tienen estas moléculas determinara la performance para el proceso de oxidación. Tales como: Parafinicas -. Aromáticas.