Asfalto

Según Mallick & El-Korchi (2018) el asfalto es un material compuesto predominantemente por hidrocarburos; pequeñas cantidades de azufre, nitrógeno y oxígeno; y trazas de metales como vanadio, níquel, hierro, magnesio y calcio. Proviene de la destilación del petróleo crudo, ya sea de forma natural o industrial.

Asphalt Institute (1982) señala que es un material de color marrón oscuro a negro, cementante, con amplia variación de su consistencia, entre sólido y semisólido a temperatura ambiental normal.

National Cooperative Highway Research Program (NCHRP, 2011) plantea que es un componente esencial de las mezclas asfálticas, siendo este el cemento que mantiene unido los agregados (liga los agregados). Es un material muy útil y valioso para la construcción de pavimentos flexibles en todo el mundo.

Existen varias razones para el uso intensivo del asfalto en la pavimentación, siendo las principales: proporciona una fuerte adherencia de los agregados, actuando como un ligante que permite una flexibilidad controlable; es impermeable, duradero y resistente a la acción de la mayoría de los ácidos, álcalis y sales, y se puede utilizar calentado o emulsionado, en amplias combinaciones de esqueleto mineral, con o sin aditivos. (Bariani et al., 2010)

2.2.4.1 Origen del asfalto

Según Mallick & El-Korchi (2018) los asfaltos son obtenidos a través de la destilación del petróleo. Pueden ser naturales o producto de la refinación del petróleo.

Aunque actualmente la mayor parte de los asfaltos usados para pavimentación son obtenidos de la refinación del petróleo.

 Asfalto natural: un proceso similar a la destilación del petróleo que ocurre en la naturaleza forma depósitos naturales de asfalto, algunos de los cuales están prácticamente libres de sustancias extrañas, mientras que otros se mezclan con cantidades variables de ciertos minerales, agua y otras sustancias. Los depósitos naturales de asfalto que se encuentran en estructuras rocosas porosas se conocen generalmente como asfaltos de roca o rocas asfálticas. Estos asfaltos se presentan en diversas formas, entre las que se destacan los manantiales, lagos y las exudaciones.

(Reyes Lizcano, 2003, p. 77)

 Asfalto refinado de petróleo: (Reyes Lizcano, 2003) “casi todo el asfalto que se produce y utiliza hoy en día en el mundo procede de la refinación del petróleo” (p.77).

(Mallick & El-Korchi, 2018) El asfalto se fabrica a partir del petróleo crudo mediante un proceso llamado destilación. Este proceso separa los distintos hidrocarburos con diferentes puntos de ebullición que componen el petróleo crudo. Las características del petróleo crudo difieren significativamente de una fuente a otra. De las 1500 fuentes diferentes de crudos en el mundo, solo unas pocas son adecuadas para la obtención de asfalto. El asfalto es un residuo del proceso de destilación del petróleo.

Esto se puede apreciar de forma esquemática en la Figura 4.

Figura 4. Productos y temperaturas típicas de destilación

Fuente: (Asphalt Institute, 1982)

2.2.4.2 Refinación del asfalto

Según Asphalt Institute (1982) en el proceso de refinación del crudo, debe haber medios para controlar las propiedades del asfalto que se producen, para cumplir con ciertos requisitos. Por lo general, esto se logra mezclando varios tipos de crudo de petróleo antes de procesarlos. La capacidad de mezclar permite a las refinerías combinar crudos que contengan asfaltos de características variables, de modo que el producto final tenga exactamente las características requeridas.

Los diferentes tipos de cementos asfálticos se suelen obtener por combinación entre productos resultantes de diversos crudos, tal como se aprecia en la siguiente Figura 5. (Menéndez Acurio, 2016)

Figura 5. Composición de crudos de Petróleo

Fuente: (Menéndez Acurio, 2016)

2.2.4.3 Tipos de asfalto

Según Minaya y Ordóñez (2003) los asfaltos usados en la construcción de pavimentos flexibles pueden dividirse en tres tipos:

- Cemento asfáltico

- Asfalto diluido o cortado (cutback) - Asfalto emulsificado

 Cemento asfáltico: son especialmente usados para la elaboración de mezclas asfálticas en caliente. (MTC, 2013)

 Asfalto diluido: son asfalto líquido preparado a temperatura ambiente mediante la adición de solvente de petróleo (también llamados diluyentes) al cemento asfáltico.

Esto se efectúa para disminuir la viscosidad del asfalto para su uso a temperaturas más bajas. Una vez mezclado con el agregado, el solvente se evapora, dejando un residuo de cemento asfáltico (Minaya y Ordóñez, 2003)

 Asfalto emulsificado (emulsión asfáltica): es una mezcla de cemento asfáltico con agua y un emulsificante. El cemento asfáltico es insoluble en agua. El cemento asfáltico caliente y agua con agente emulsificador son puestos a presión a través de un molino coloidal para generar glóbulos de cemento asfáltico extremadamente pequeños (menos de 5-10 micrones) que son suspendidos en agua. (Minaya y Ordóñez, 2003)

2.2.4.4 Cemento asfáltico

Según Minaya y Ordóñez (2003) “a temperatura ambiente el cemento asfáltico es negro, pegajoso, semisólido, y altamente viscoso” (p.3). (MTC, 2013) Se clasifica por lo general de acuerdo a su consistencia, evaluada por viscosidad o por penetración.

Hasta finales de los años 80, eran frecuentes los métodos de clasificación por penetración y viscosidad. A partir de los años 90, este sistema cambia al Superpave y actualmente en los Estados Unidos este sistema de clasificación es muy utilizado.

(Menéndez Acurio, 2016)

Figura 6. Cemento asfáltico PEN 60/70

 Clasificación por penetración: en el Perú, se emplea el ensayo de penetración para clasificar los cementos asfálticos. (Menéndez Acurio, 2016)

En esta prueba, se coloca un recipiente de asfalto mantenido a 25°C bajo una aguja estándar. Se deja que la aguja, con un peso de 100 g, penetre en el asfalto del recipiente durante 5 s. La profundidad de penetración, expresada en unidades de décimas de milímetro dmm (0.1mm), se reporta como la penetración. El objetivo de esta prueba es clasificar el asfalto, comprobar su consistencia y dureza del cemento asfáltico. En general, existen cinco grados diferentes: 40-50, 60-70, 85-100, 120-150 y 200-300. Un cemento asfáltico más duro tendrá una penetración más baja, mientras que un cemento asfáltico más suave tendrá una mayor penetración. (Mallick & El- Korchi, 2018)

Figura 7. Diagrama del ensayo de penetración

Fuente: (Menéndez Acurio, 2016)

 Clasificación por viscosidad: (Menéndez Acurio, 2016) en el sistema de clasificación por penetración se utiliza una sola temperatura por lo que no es adecuado debido a que esta no cubre todo el rango de temperaturas a los cuales suele estar sometido el pavimento. Es por ese motivo que se desarrollaron sistemas de clasificación basados en la viscosidad donde las pruebas se realizan a 25 ºC (la penetración), 60 ºC (viscosidad absoluta) y 135 ºC (viscosidad cinemática).

(Mallick & El-Korchi, 2018) La viscosidad se especifica como la relación entre el esfuerzo cortante aplicado y la deformación cortante aplicada. Esta prueba ayuda a medir la resistencia del asfalto a fluir.

(Minaya y Ordóñez, 2003) El sistema se basa en la viscosidad del cemento asfáltico original o la viscosidad del cemento asfáltico después de ser envejecido. Ambas viscosidades se miden y se reportan en poises. La viscosidad del cemento asfáltico original incluye AC-2.5, AC-5, AC-10, AC-20, AC-30, y AC-40. Los valores numéricos precisan la consistencia a 140°F (60°C) en cientos de poises.

El AC-2.5 (cemento asfáltico con una viscosidad de 250 poises a 60ºC) se denomina como asfalto "blando". El AC-40 (cemento asfáltico con una viscosidad de 4000 poises a 60°C) se conoce como asfalto "duro".

Figura 8. Viscosímetro rotacional Brookfield para medir la viscosidad del asfalto

Fuente: (Bariani et al., 2010)

2.2.4.5 Composición química del asfalto

Según The Shell Bitumen Handbook (Shell, 2015) el asfalto es una compleja mezcla química de moléculas que son principalmente hidrocarburos, con escasas cantidades de átomos de azufre, nitrógeno y oxígeno. El asfalto además contiene trazas de metales como níquel, vanadio, hierro, calcio y magnesio, en forma de sales metálicas, óxidos o estructuras de parafina.

Un análisis elemental del asfalto fabricado de una variedad de crudos de petróleos muestra que la mayoría de asfaltos contienen:

- Carbono 82 - 88%

- Hidrogeno 8 - 11%

- Azufre 0 - 6%

- Oxigeno 0 – 1.5 % - Nitrógeno 0 – 1%

“La composición química del asfalto es extremadamente compleja. Así un análisis completo del asfalto (si fuera posible) sería extremadamente laborioso y produciría una cantidad tan grande de datos que la correlación con las propiedades reológicas sería poca práctica, si no imposible” (Shell, 2015, p.49).

Sin embargo, es posible separar el asfalto en dos grandes grupos químicos llamados asfaltenos y maltenos. Los maltenos se pueden subdividir en saturados, aromáticos y resinas. Esta clasificación permite relacionar la reología del asfalto con la composición química general. (Shell, 2015)

Figura 9. Esquema del análisis químico del asfalto: saturados, aromáticos, resinas y

asfaltenos (SARA)

Fuente: (Shell, 2015)