Asfalto.

Asfalto.

1. ¿Qué es?

   • Es una mezcla de hidrocarburos, derivada de la destilación el petróleo.
     • Los cuales pueden ser:
       • Alifáticos saturados.
       • Nafténicos.
       • Aromáticos.
       • Alifáticos no saturados.
     • Contiene:
       • Carbono.
       • Azufre
       • Nitrógeno
       • Vanadio.
       • Niquel, entre otras moléculas.

2. Composición química.

   • Evolución histórica.
     • tradicionalmente considerado un coloide
     • Pensado como un líquido de dos fases.
       • Una fase continua o malteno.
       • Otra fase disconua o asfalteno.
     • Primera separacion de asfaltenos realizada en 1837 por Boussingault.
     • En los soglos XIX y XX la separación se realizaba usando la capacidad soluble de varias moléculas en distintos solventes.
     • Después de la segunda guerra mundial, se utilizaban técnicas cromatográficas y el método de Rostler y Sternberg, pero sus resultados eran de difícil comprensión, dando impresciciones en la práctica.
   • Estructura coloidal.
     • ¿Qué es?
       • Es una disolución en donde las partículas son mayores al tamaño de una sola molécula.
         • Las moléculas se agrupan en:
           • Moléculas en suspensión coloidal "Micelas" (fase dispersa).
           • Líquido en el que están suspendidas (fase continua).
         • Los sistemas coloidales pueden ser de tipo:
           • Sistema coloidal sol
             • Existe equilibrio entre las partes de la fase dispersa (micelas).
           • Sistema coloidal gel.
             • Existe unión entre las micelas, lo que se traduce en un sistema coloidal rígido.
         • Se clasifican en dos grupos
           • Asfaltenos.
             • Son:
               • Los compuestos solubles que se precipitan del petróleo crudo por la adición de un mínimo de 40 volúmet;tes de n-pentano, formados por sistemas de anillos aromáticos polinucleares, rodeados de cadenas alquílicas.
             • Concentran los compuestos indeseables de los asfaltos, pues contienen los metales pesados y el azufre.
             • El contenido de asfaltenos en un cemento asfáltico varía generalmente entre un 15% y un 20%. Por lo general.
             • Los asfaltenos son los responsables de la dureza de los asfaltos.
           • Maltenos.
             • Son:
               • La fracción soluble en hidrocarburos saturados de bajo punto de ebullición, constituidos por anillos aromáticos, anillos nafténicos y una muy poca cadena parafínica.
     • Las resinas y los aceites.
       • Las resinas actúan como agente estabilizador de los asfaltenos,con un mayor poder de adsorción.
       • Los aceites, a su vez, poseen un menor poder de adsorción. Son compuestos aromáticos de nafta y componentes saturados.
       • Las resinas le proporcionan sus características cementantes o aglutinantes, mientras que los aceites la consistencia necesaria para hacerlos trabajables.
   • Modelo de SHRP.
     • El modelo micelar fue el punto de partida de SHRP como el único disponible en el momento de comenzar el programa y que los proveía de una razonable explicación de la estructuración química del asfalto.
     • El modelo micelar no explicaba adecuadamente el comportamiento y las propiedades del asfalto, el cual fue gradualmente desplazado por el nuevo modelo SHRP denominado Modelo Microestructural.
     • Establece que el asfalto está constituido por una sola fase, mezcla de una gran cantidad de moléculas polares y no polares que forman asociaciones sueltas y redes que se hallan dispersas en el asfalto
     • Este modelo microestructural que describe al asfalto de manera simplista, como "espaguetis fríos nadando en salsa".
     • Las moléculas polares: Participan en la formación de una red de moléculas aso·ciadas, abarcando un amplio rango de tamaños y tipos. El atributo más importante de las moléculas polares es la resistencia relativa y el número de sitios polares o de unión entre moléculas.
     • Las moléculas no polares: Esta porción del asfalto, que comprende entre el 60% y 70% en peso, se comporta principalmente, aunque no exclusivamente, como un líquido viscoso. La capacidad aromática de estas moléculas es importante desde el punto de vista de la compatibilidad entre moléculas polares y no polares.

3. Caracterización física.

   • Ensayos para medir la consistencia de los cementos asfálticos:
     • La viscosidad.
       • Se define como la resistencia que ofrece un fluido a la deformación, debida básicamente al rozamiento interno de las moléculas.
       • Cuando un fluido se somete a la acción de una fuerza, se deforma y fluye, pero sólo una parte de la energía aplicada se transforma en energía cinética, ya que una fracción más o menos notable se disipa en forma de frotamientos internos generadores de energía calorífica.
       • Se dice que el fluido es más o menos viscoso, según que esta fracción seamás o menos grande.
       • Si se llena con un líquido el espacio comprendido entre dos placas paralelas, una de las cuales permanece :fija y la otra móvil, y se mueve respecto a la otra, la única resistencia que se opone al desplazamiento de esa placa es la que el fluido opone al deformarse.
       • Medida de la viscosidad absoluta a 140°F (60°C).
         • El viscosímetro capilar es también muy utilizado para determinar la viscosidad a la temperatura de 60°C. Esta temperatura fue seleccionada porque se considera como la más alta que puede tener en su superficie una mezcla asfáltica en servicio durante el mes de verano en los Estados Unidos.
         • El viscosímetro es colocado en un baño de agua o aceite provisto de un controlador de temperatura y se deja el tiempo necesario para que obtenga la temperatura de ensayo. Posteriormente se aplica vacío con el fin de que el asfalto comience a fluir de un lado al otro. El tiempo en segundos que tarda en fluir el cemento asfáltico de una marca a otra multiplicado por la constante de calibración proporcionada por el fabricante es su viscosidad en poises.
       • Medida de la viscosidad cinemática a 275°F (135°C).
         • Usando el viscosímetro Zeitfuchs CrossArm. A esta temperatura el cemento asfáltico es suficientemente fluido para desplazarse por el tubo capilar bajo la acción de la gravedad y no es necesario aplicar vacío. La temperatura de 135°C ha sido seleccionada porque es la temperatura media de mezclado utilizada en la planta para la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente.
         • La unidad de medida es el centistokes ya que la fuerza de la gravedad induce al flujo y la densidad del material afecta la velocidad del fluir. La viscosidad absoluta se obtiene de multiplicar la viscosidad cinemática por el peso específico del cemento asfáltico.
       • Medida de la viscosidad Saybolt Furol.
         • Para medir la viscosidad del cemento asfáltico a temperaturas altas de mezclado (alrededor de 135°C), es común utilizar el viscosímetro Saybolt equipado con un orificio Furol.
         • El ensayo consiste en colocar un determinado volumen de cemento asfáltico en un tubo normalizado y cerrado con un tapón, que se calienta usando el aceite del baño termostático del viscosímetro. Después de que el asfalto alcanza la temperatura requerida, se saca el tapón y se mide el tiempo en segundos que tarda en fluir 60 ml del material a través del orificio furol. Los valores se expresan en segundos Saybolt furol (SSF).
     • La penetración.
       • Es un ensayo empírico usado para medir la consistencia del cemento asfáltico a temperaturas medias de servicio. Usualmente se mide a 25°C (77°F), considerada como la temperatura media en servicio de la mezcla asfáltica.
       • El ensayo consiste en calentar una muestra de asfalto a 25°C (o a una temperatura definida con anterioridad) en un baño de agua controlada termostáticamente. Una aguja normalizada de 100 g se hace penetrar en la superficie de la muestra durante un tiempo de 5 segundos. La penetración se mide como la distancia en décimas de milímetro que la aguja penetra el cemento asfáltico durante un tiempo de 5 segundos.
     • El punto de ablandamiento.
       • Se define como la temperatura a la cual el asfalto no puede soportar una carga de una bola de acero y comienza a fluir.
       • Se determina colocando en un recipiente con agua, a una determinada altura sobre el fondo, un anillo de latón de dimensiones establecidas, el cual se rellena previamente con el asfalto fundido y se deja enfriar a temperatura ambiente durante cuatro horas. Transcurrido ese tiempo se coloca una esfera de 9,51 mm de diámetro, y se calienta el baño, de tal manera que la temperatura del agua suba a velocidad constante. Debido al calor, el asfalto se ablanda y la esfera desciende gradualmente envuelta en una bolsa de asfalto hasta tocar el fondo del baño. La temperatura del baño en ese instante es lo que se denomina el punto de ablandamiento de anillo y bola del cemento asfáltico ensayado.
     • El ensayo de ductilidad
       • Una propiedad que tienen los cementos asfálticos es su gran capacidad para mantenerse coherentes bajo las grandes deformaciones inducidas por el tránsito.
       • La ductilidad se mide según la norma ASTM D-113, en un equipo denominado ductilómetro. En el ensayo se mide la resistencia a la ruptura por medio del alargamiento de una probeta de cemento asfáltico, estirada en sus extremos a velocidad constante. Normalmente el ensayo se realiza a una temperatura de 25°C y a una velocidad de alargamiento de 5 cm/mto (Figura 4.16). Algunas veces se utilizan las temperaturas de 16°C y 4°C y una velocidad de deformación de 1 cm/mto.
   • Ensayos de durabilidad.
     • El ensayo de película delgada (TFO).
       • El método es descrito en la norma ASTM D-1754 y se utiliza para simular en el laboratorio las condiciones que producen un aumento de la consistencia del asfalto durante las operaciones de mezclado en planta, lo cual significa poder medir el envejecimiento del cemento asfáltico durante esa operación.
       • El ensayo consiste en colocar una película de asfalto de 3 mm de espesor en una cacerola y en un horno giratorio que se encuentra a una temperatura de 163 oc durante un tiempo de 5 horas. El asfalto envejecido se somete a los ensayos de penetración, viscosidad o punto de ablandamiento, con el fin de calcular el porcentaje de pérdida o ganancia de peso, penetración retenida, aumento del punto de ablandamiento y el incremento de la viscosidad o relación de envejecimiento.
       • U na variación del ensayo de película delgada, actualmente muy utilizado en los Estados Unidos, es el ensayo Rolling Thin Film Oven (RTOF) o película fina rotativa descrito en la norma ASTM D-2872. El cemento asfáltico se coloca dentro de un recipiente cilíndrico sobre una superficie que gira alrededor de un eje horizontal, manteniéndose una temperatura constante de 163 oc y sometida de manera continua a la acción del aire. El grado de envejecimiento que se produce es similar al logrado con el ensayo de película delgada pero en un tiempo menor (sólo 75 minutos).
   • Ensayos de pureza.
     • Para determinar el grado de pureza del cemento asfáltico se utiliza el ensayo de solubilidad definido por la norma ASTM D-2042.
     • Una muestra de cemento asfáltico de peso conocido es disuelto en tricloroetileno y se pasa a través de un goosh con asbesto. El material retenido en el filtro se lava varias veces y la parte insoluble constituye las impurezas del cemento asfáltico.
   • Ensayos de seguridad.
     • Si el cemento asfáltico es calentado a temperaturas altas, se producen vapores que en presencia de alguna chispa se pueden incendiar.
     • El punto de inflamación o punto de chispa o Flash Point es la temperatura a la cual el cemento asfáltico puede ser calentado sin peligro de incendio en presencia de una chispa. Esta temperatura es más baja que la correspondiente al punto de llama, la cual es la temperatura a la cual el asfalto se enciende.
     • El método de la copa Cleveland (ASTM D-92) es utilizado para determinar el punto flash. La copa de bronce se llena con un volumen especificado de cemento :;tsfáltico y se calienta a una velocidad prefijada. Se pasa sobre la superficie del asfalto una llama auxiliar a intervalos de tiempo definidos. La temperatura a la cual el asfalto libera suficientes vapores para producir chispa o destellos instantáneos al paso de una pequeña llama, se define como el punto de inflamación o punto flash.
   • Otros ensayos.
     • El peso específico.
       • Se define como la relación entre la masa del material a una temperatura dada y la masa de igual volumen de agua a la misma temperatura.
       • El método del picnómetro (ASTM D-70) es el más utilizado para su determinación. Generalmente se expresa en términos de peso específico a una temperatura dada para ambos materiales: agua y cemento asfáltico.
     • La fragilidad.
       • Se denomina fragilidad de un cemento asfáltico a su propiedad de romperse ante la aplicación de determinados esfuerzos.
         • La rotura puede ocurrir de dos formas:
           • Rotura sin deformación plástica apreciable, que se produce tan pronto como la tensión que actúa sobre el material alcanza un valor determinado.
           • La rotura plástica que se produce cuando se impone a un cuerpo plástico una velocidad de deformación superior a un valor determinado. Para valores menores, el asfalto se deforma hasta alcanzar su límite de ductilidad.
       • El ensayo más utilizado es el de Fraass, que consiste en extender una capa de cemento asfáltico de medio milímetro de espesor sobre una lámina de acero que se coloca en un aparato, sumergido en un baño que permite bajar la temperatura a razón de 1 oc por minuto. Se empieza el ensayo a una temperatura superior en 1 o oc al punto de rotura hipotético, y se hace girar la manivela de forma que la placa de acero se doble en proporciones fijas.
       • Se denomina punto de fragilidad Fraass, la temperatura a la cual se producen grietas en la película de asfalto.
     • Ensayo de la mancha
       • Mediante esta prueba, es posible detectar reordenamientos moleculares producidos por la acción de altas temperaturas, la cual afecta a algunos hidrocarburos en el asfalto, produciéndose sustancias insolubles en n-heptano.
       • El ensayo desarrollado por el químico Oliensis, consiste en colocar una gota de disolución de asfalto y heptano sobre un papel filtro observándose la mancha que deja. Si la gota deja una mancha circular café con un núcleo oscuro se informa como positiva; si forma una mancha circular uniforme se informa como negativa.
       • Para cuantificar el grado de alteración del asfalto si la prueba da positiva, se va reemplazando al heptano por xileno hasta que la mancha desaparece.