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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
REFORMULACIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE
CEMENTO ASFÁLTICO EN LA EMPRESA IMPTEK – CHOVA DEL
ECUADOR S.A
TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROYECTO DE
INVESTIGACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE
INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: VANESSA STEPHANÍA ORTEGA MORILLO
TUTOR: Ing. CAROLINA DEL ROCÍO MONTERO, PhD
QUITO
2017
ii
DERECHOS DE AUTOR
Yo, Vanessa Stephanía Ortega Morillo, en calidad de autor del trabajo de investigación,
Reformulación del proceso de obtención de cemento asfáltico de la Empresa Imptek –
Chova del Ecuador S.A, autorizo a la Universidad Central del Ecuador hacer uso de
todos los contenidos que me pertenecen o parte de los que contiene esta obra, con fines
estrictamente académicos o de investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5,6,8:19 y demás pertinentes de la ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la digitación y
publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual, de conformidad a
los dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
Vanessa Stephanía Ortega Morillo
C.C: 040161866 – 5
e-mail: vsmb1823@gmail.com
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, Carolina del Rocío Montero Calderón en calidad de tutora del trabajo de titulación.
Modalidad proyecto de Investigación, Re-formulación del proceso de obtención de
cemento asfáltico de la Empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A, elaborado por la
estudiante: Vanessa Stephanía Ortega Morillo de la Carrera de Ingeniería Química,
Facultad de Ingeniería Química, considero que el mismo reúne los requisitos y méritos
necesarios en el campo metodológico y en el campo epistemológico, para ser sometido
a la evaluación por parte del jurado examinador que se designe, por lo que APRUEBO,
a fin de que el trabajo sea habilitado para continuar con el proceso de titulación
determinado por la Universidad Central del Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 17 días del mes de marzo de 2017
Carolina Montero C
C.I: 1717442121
iv
DEDICATORIA
A mi querida madre Elena Morillo forjadora de sueños y
emprendedora de lucha, su mejor herencia: la tenacidad con la
cual afronta el día a día, su ejemplo: la perseverancia para
lograr propósitos de vida, plasmó en mi la diferencia entre
conformarme con seguir un patrón o luchar por marcar la
diferencia hasta conseguir mis sueños.
A mis cómplices de travesuras, quienes han estado conmigo
desde que llegué a este mundo, hombros en los cuales me he
apoyado en cada paso que daba, mis hermanas a las cuales
respeto y admiro por que han ganado grandes batallas con sus
propios méritos y fuerza, María Belén y Deyanira.
A los seres que lograron cautivar mi corazón y sacar de mi ese
lado amoroso que he ocultado por tanto tiempo, quienes con
algo tan simple y a la vez mágico como una mirada,
conquistaron gran parte de mi ser, ángeles de mi vida,
pequeños seres a los cuales se les llama sobrinos, pero son
como hijos, Alisson y Samir.
A quien llegó a darle un poco de locura a mi vida, cada aventura
sin duda alguna ha sido mágica, una amiga incondicional en
todo momento, por ser como eres, por las nuevas hazañas que
nos esperan por vivir y porque este sea uno de los tantos logros
que pueda compartir contigo, Carolina Muñoz.
A los amigos que se convirtieron en familia y a la familia que se
convirtió en lo indispensable para seguir dando guerra a la vida.
“Por vos mismo, no por fama ni por dinero, tenés que seguir
luchando”.
(Charles Bukowsky)
v
AGRADECIMIENTOS
“Me gusta pensar en toda esa gente que me enseñó tantas cosas que yo nunca había
imaginado antes. Y me enseñaron bien, muy bien cuando eso era tan necesario, me
mostraron tantas cosas que nunca creí que fueran posibles. Todos esos amigos bien
adentro de mi sangre quienes cuando no había ninguna oportunidad me dieron una”.
(Charles Bukowsky).
Un agradecimiento rotundo a la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad
Central del Ecuador por ser el templo en el cual mi imaginación, creatividad y potencial
se desarrollaron hasta dar la pauta de alcanzar grandes metas entre las cuales se
encuentra la culminación de esta etapa tan importante en mi vida.
A la empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A a través del Ing. Ramiro Sotomayor, por
darme la oportunidad de realizar el presente proyecto en las instalaciones de su
empresa, a la Ing. Sandra Villacis y al Sr. Wilfrido Loachamín por la confianza, apoyo y
guía durante mi permanencia en la empresa.
A mi tutora, guía y soporte durante la elaboración de mi proyecto de investigación, Ing.
Carolina Montero, PhD, infinitas gracias por el tiempo, la paciencia y sobre todo por
compartir conmigo gran parte de sus conocimientos, por ser profesora, amiga y
partícipe, un ejemplo que me ha permitido avanzar un escalón más.
El separarse de tu familia, dejar tu tierra y todo lo que conoces por forjarte un mejor
futuro, es sin duda el sacrificio que muchos conocemos, sin embargo, ese dolor se
aminoraba mientras llegaban a mi vida personas que sentían y luchaban la misma
guerra que yo; por ello mi profundo agradecimiento a quienes hicieron que mi vida
universitaria sea más divertida: Daysi Carchipulla, Raiza Vera y Valeria Galárraga, en
especial a la persona que marcó en mi un antes y un después, al mejor amigo que la
vida me pudo conceder, Ramiro Núñez.
A las personas que llevaré por siempre en el baúl de mis mejores recuerdos, a quienes
fueron coautores de mis mejores hazañas deportivas, AFRODITAS F.C y al equipo T –
CLA – V por compartir conmigo, la pasión que llevamos muy dentro del corazón.
“INFINITAS GRACIAS A QUIENES HICIERON POSIBLE LA CULMINACIÓN DE ESTA
ETAPA QUE MARCA EL INICIO DE GRANDES RETOS”
vi
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS ...................................................................................................... ix
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................... xii
LISTA DE ANEXOS ..................................................................................................... ix
RESUMEN ................................................................................................................... ix
ABSTRACT .................................................................................................................. x
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1
1. CEMENTO ASFÁLTICO ................................................................................. 3
1.1. Asfaltos ........................................................................................................... 3
1.1.1. Penetración a 25 °C (al residuo TFO). . .......................................................... 5
1.1.2. Equivalencias entre el grado de viscosidad y grado de penetración.. .............. 6
1.1.3. Grado de desempeño, PG.. ............................................................................ 7
1.2. Reología ......................................................................................................... 8
1.2.1. Líquido viscoso o fluido newtoniano. ............................................................... 9
1.2.2. Elasticidad lineal o resorte de Hooke. ........................................................... 11
1.2.3. Viscoelasticidad y el modelo de Maxwell. ...................................................... 11
1.3. Emulsión asfáltica ......................................................................................... 14
1.3.1. Surfactantes en emulsiones asfálticas.. ........................................................ 14
1.4. Escalamiento industrial lineal ........................................................................ 15
1.4.1. Etapas a considerar en el proceso de escalamiento industrial. ..................... 15
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ............................................................... 16
2.1. Procedimientos experimentales para la obtención de emulsión
asfáltica y cemento asfáltico. ...................................................................................... 16
vii
2.1.1. Emulsión asfáltica ......................................................................................... 16
2.1.2. Preparación de cemento asfáltico C.A. ......................................................... 18
2.2. Proceso de reformulación en la composición del cemento asfáltico .............. 19
2.2.1. Análisis estadístico para el proceso de formulación del cemento asfáltico. ... 23
2.2.2. Validación de las propiedades mecánicas del cemento asfáltico.. ................. 26
2.3. Obtención del nuevo cemento asfáltico C.A.1. .............................................. 26
2.3.1. Validación de las aplicaciones industriales. ................................................... 26
2.3.2. Verificación de propiedades de materias primas en el proceso de obtención
de C.A. y C.A.1.. ......................................................................................................... 27
2.3.3. Tiempo de secado del nuevo cemento asfáltico. ........................................... 28
2.4. Caracterización reológica de las muestras de cemento asfáltico C.A.
y C.A.1................ ........................................................................................................ 28
2.4.4. Características mecánicas en el análisis reológico ........................................ 30
2.5. Diseño de un tanque mezclador .................................................................... 33
2.5.1. Balance de materia. ..................................................................................... 33
3. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS ........................................................ 35
3.1. Producción de emulsión asfáltica y cemento asfáltico ................................... 35
3.1.1. Emulsión asfáltica ......................................................................................... 35
3.1.2. Cemento asfáltico C.A................................................................................... 35
3.2. Proceso de reformulación del cemento asfáltico ........................................... 36
3.2.1. Cálculos ........................................................................................................ 36
3.2.2. Validez estadística del proceso de formulación ............................................. 40
3.2.3. Validación de las propiedades mecánicas del cemento asfáltico ................... 57
3.3. Obtención del nuevo cemento asfáltico C.A.1. .............................................. 58
3.3.1. Ensayos del C.A.1. utilizando resina acrílica estirenada 562. ........................ 59
3.3.2. Tiempo de secado del cemento asfáltico C.A.1. ............................................ 60
3.4. Caracterización reológica del cemento asfáltico ............................................ 63
3.4.1. Características mecánicas ............................................................................ 64
3.4.2. Características dinámicas. ............................................................................ 66
3.5. Diseño del tanque mezclador ........................................................................ 67
3.5.1. Balance de materia para la producción de cemento asfáltico. ....................... 67
viii
3.5.2. Cálculo del volumen del tanque mezclador ................................................... 69
3.5.3. Cálculo de la velocidad de flujo. .................................................................... 71
3.5.4. Cálculo del valor de flujo generado “qT” ........................................................ 74
3.5.5. Cálculo del tiempo de agitación ..................................................................... 75
3.5.6. Cálculo de la potencia consumida por agitación “P” ...................................... 75
3.5.7. Escalamiento Industrial Lineal. ...................................................................... 76
3.6. Análisis de costos de materias primas para obtener cemento asfáltico
en los años 2015 y 2016. ........................................................................................... 79
3.6.1. Estudio de costos de materias primas para la obtención de una muestra
de cemento asfáltico C.A. ........................................................................................... 79
3.6.2. Estudio de costos de materias primas para la obtención de una muestra
de cemento asfáltico C.A.1. ....................................................................................... 80
DISCUSIÓN ................................................................................................................ 81
CONCLUSIONES ....................................................................................................... 87
RECOMENDACIONES ............................................................................................... 91
CITAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................... 93
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 95
ANEXOS ..................................................................................................................... 97
ix
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Ensayos específicos para medir el grado de viscosidad del asfalto......... 04
Tabla 2. Límites de grado de viscosidad del asfalto.............................................. 05
Tabla 3. Ensayos específicos para caracterizar al asfalto según su grado
de penetración............................................................................................................. 05
Tabla 4. Equivalencias entre grado de penetración y grado de viscosidad........... 06
Tabla 5. Especificaciones para asfaltos clasificados según su grado de
penetración................................................................................................................. 06
Tabla 6. Ensayos específicos para caracterizar un asfalto según su grado de
desempeño................................................................................................................. 07
Tabla 7. Caracterización de materias primas del cemento asfáltico..................... 21
Tabla 8. Relación de variables dependiente e independiente en el proceso de
formulación del cemento asfáltico............................................................................... 24
Tabla 9. Propiedades de materias primas del C.A. y C.A.1................................... 27
Tabla 10. Propiedades de la resina acrílica estirenada 562.................................... 28
Tabla 11. Formulación de emulsión asfáltica Css – 1h (Se considera una
B.C = 3000 g) ............................................................................................................... 35
Tabla 12. Resultados de los ensayos fisicoquímicos para emulsión asfáltica........... 35
Tabla 13. Formulación del cemento asfáltico C.A. (Se considera una
B.C = 3000 g) ............................................................................................................... 36
Tabla 14. Resultados del cemento asfáltico obtenido en el laboratorio.................... 36
Tabla 15. Relación de aumento de concentraciones según los porcentajes
designados................................................................................................................... 37
Tabla 16. Nuevos porcentajes de las materias primas que forman parte del
soluto............................................................................................................................ 38
Tabla 17. Porcentajes de materias primas que forman parte del soluto................... 39
Tabla 18. Formulación parcial del cemento asfáltico................................................ 39
Tabla 19. Resultados de ensayos físicos y químicos de la formulación preliminar... 40
Tabla 20. Tabla resumen del ANOVA para la variable pH......................................... 42
x
Tabla 21. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D = pH
(tipo de fibra) ................................................................................................................ 43
Tabla 22. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para la
V.D=pH (tipo de fibra) ................................................................................................. 44
Tabla 23. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D = pH
(concentración)............................................................................................................. 44
Tabla 24. Tabla de subgrupos del procedimiento ANOVA de la variable
dependiente: pH (concentración)................................................................................. 45
Tabla 25. Tabla resumen del ANOVA para la variable viscosidad............................ 46
Tabla 26. Comparación de medias – Test de Tukey para la variable dependiente
viscosidad (tipo de fibra) .............................................................................................. 47
Tabla 27. Tabla de los subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA
para viscosidad (tipo de fibra) .................................................................................... 48
Tabla 28. Comprobación de medias – Test de Tukey para la variable
dependiente viscosidad (concentración)...................................................................... 48
Tabla 29. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para
Viscosidad (concentración).......................................................................................... 49
Tabla 30. Tabla resumen del ANOVA para la variable: densidad relativa................. 50
Tabla 31. Comparación de medias – Test de Tukey para la variable
dependiente densidad relativa (tipo de fibra) .............................................................. 51
Tabla 32. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para
densidad relativa (tipo de fibra) .................................................................................... 51
Tabla 33. Comparación de medias – Test de Tukey para la variable
dependiente densidad relativa (concentración)........................................................... 52
Tabla 34. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para
Densidad relativa (concentración)................................................................................ 52
Tabla 35. Tabla resumen del ANOVA para la variable contenido de sólidos............ 54
Tabla 36. Comparación de medias – Test de Tukey para la variable
dependiente contenido de sólidos (tipo de fibra) ......................................................... 54
Tabla 37. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para el
contenido de sólidos (tipo de fibra) .............................................................................. 55
Tabla 38. Comparación de medias – Test de Tukey para la variable
dependiente contenido de sólidos (concentración).................................................... 55
Tabla 39. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para el
contenido de sólidos (concentración)........................................................................... 56
Tabla 40. Ensayos mecánicos de una muestra de cemento asfáltico C.A................ 57
Tabla 41. Formulación final del cemento asfáltico C.A.1.......................................... 58
xi
Tabla 42. Ensayos mecánicos del nuevo cemento asfáltico C.A.1........................... 58
Tabla 43. Especificaciones fisicoquímicas utilizando una nueva resina acrílica
estirenada. ................................................................................................................... 59
Tabla 44. Características mecánicas utilizando la nueva resina acrílica
estirenada en la formulación....................................................................................... 59
Tabla 45. Prueba de adhesividad de cemento asfáltico utilizando la nueva
resina acrílica estirenada en la nueva formulación...................................................... 59
Tabla 46. Comparación de propiedades entre resinas acrílicas estirenadas............ 60
Tabla 47. Formulación utilizando un aditivo para acelerar el tiempo de secado....... 60
Tabla 48. Especificaciones fisicoquímicas de cemento asfáltico utilizando
texanol.......................................................................................................................... 61
Tabla 49. Especificaciones fisicoquímicas utilizando octoato de cobalto.................. 62
Tabla 50. Comparación de resultados entre los dos aditivos.................................... 62
Tabla 51. Ensayos fisicoquímicos con la formulación en la que se incluye
texanol.......................................................................................................................... 63
Tabla 52. Formulación final del cemento asfáltico C.A.1. incluido el aditivo............. 63
Tabla 53. Contenido en masa de los componentes que intervienen en la
preparación de emulsión asfáltica................................................................................ 68
Tabla 54. Contenido en masa de las fracciones que intervienen en la
preparación de cemento asfáltico................................................................................ 68
Tabla 55. Formulación del cemento asfáltico C.A.1.................................................. 69
Tabla 56. Nuevas dimensiones para el cálculo de potencia aplicando R................. 77
Tabla 57. Resultados del diseño de un tanque agitador a escala de laboratorio
con proyección ha escalado industrial.......................................................................... 78
Tabla 58. Análisis de costos para la muestra de cemento asfáltico C.A.................... 79
Tabla 59. Análisis de costos para la muestra de cemento asfáltico C.A.1................ 80
xii
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Comportamiento de los materiales según estudios de reología.................. 08
Figura 2. Diagrama de la energía reológica en coordenadas triangulares, según
Eisenschitz, Rabinowitsch y Weissenberg................................................................... 09
Figura 3. Respuesta a la deformación de un fluido newtoniano y un sólido de
Hooke........................................................................................................................... 10
Figura 4. Sólido de Hooke deformado por cizallamiento............................................. 11
Figura 5. Modelo de visco elástico de Maxwell........................................................... 12
Figura 6. Diagrama de flujo para la elaboración de emulsión asfáltica (materia
prima en la elaboración de cemento asfáltico.............................................................. 16
Figura 7. Diagrama de flujo para la obtención de cemento asfáltico en la
empresa Imptek Chova del Ecuador S. A.................................................................... 18
Figura 8. Propiedades fisicoquímicas analizadas en el cemento asfáltico.................. 20
Figura 9. Diagrama de bloques para el procedimiento de reformulación de la
composición del cemento asfáltico............................................................................... 21
Figura 10. Flujo grama de actividades para obtener la nueva formulación de
cemento asfáltico.......................................................................................................... 22
Figura 11. Factores y variables estadísticas que intervienen en el proceso de
Obtención de cemento asfáltico................................................................................... 23
Figura 12. Representación esquemática del análisis de reversibilidad...................... 30
Figura 13. Protocolo del ensayo para analizar el flujo constante en la muestra
de cemento asfáltico (C.A) ........................................................................................... 30
Figura 14. Protocolo del análisis de tixotropía, evaluado en un intervalo de tiempo...31
Figura 15. Representación esquemática del proceso de barrido de amplitud............ 31
Figura 16. Representación esquemática del proceso de barrido de frecuencia......... 32
Figura 17. Representación esquemática del proceso de barrido de temperatura
aplicado a una muestra de cemento asfáltico.............................................................. 33
Figura 18. Diagrama de flujo del proceso para la obtención de cemento asfáltico,
Iniciando con la preparación de emulsión asfáltica...................................................... 34
Figura 19. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = pH............................. 41
Figura 20. Comparación de medias marginales estimadas para la V.D = pH............ 45
viii
Figura 21. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = viscosidad................ 46
Figura 22. Comparación de medias marginales estimadas para la V.D =
viscosidad. .................................................................................................................. 49
Figura 23. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = densidad relativa...... 49
Figura 24. Comparación de medias marginales estimadas para la variable
dependiente densidad relativa...................................................................................... 53
Figura 25. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = contenido de
sólidos.......................................................................................................................... 53
Figura 26. Comparación de medias marginales estimadas para la variable
dependiente contenido de sólidos................................................................................ 56
Figura 27. Resultados del ensayo de reversibilidad para el nuevo cemento
asfáltico........................................................................................................................ 64
Figura 28. Resultados del análisis de flujo constante para la muestra C.A.1............. 65
Figura 29. Análisis del ciclo de histéresis para la muestra C.A.1............................... 65
Figura 30. Resultados del análisis de barrido de amplitud para la muestra C.A.1…. 66
Figura 31. Resultados de barrido de frecuencia ω, para la muestra C.A.1................ 66
Figura 32. Resultado del ensayo de barrido de temperatura para la muestra
C.A.1............................................................................................................................. 67
Figura 33. Medidas de un agitador tipo turbina, según Mc – Cabe y
colaboradores.............................................................................................................. 71
Figura 34. Vectores de velocidad en el extremo de la pala de un rodete tipo
turbina, según Mc – Cabe y colaboradores................................................................. 72
Figura 35. Nomograma para la estimación del número de potencia en un agitador
Tipo turbina.................................................................................................................. 75
ix
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A. Procedimiento para la obtención de emulsión asfáltica............................ 89
ANEXO B. Instructivo de ensayos fisicoquímicos para validar la emulsión
Asfáltica manejada por la empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A......................... 90
ANEXO C. Instructivo de ensayos fisicoquímicos para validar el cemento asfáltico
de la empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A. ....................................................... 94
ANEXO D. Ensayos fisicoquímicos del Instructivo IT – CDQ – 03.31 (Instructivo
Interno de Imptek - Chova del Ecuador S.A) para el cemento asfáltico. ..................... 95
ANEXO E. Comprobación de las propiedades mecánicas basadas en Alumband
para la mezcla de cemento asfáltico............................................................................ 96
ANEXO F. Ensayo de estanqueidad para el cemento asfáltico...................................99
ANEXO G. Comparación de las propiedades de impermeabilización entre las
resinas acrílicas estirenadas 562 y 445. .................................................................. 100
ANEXO H. Procedimiento experimental para comprobar el tiempo de secado con
la utilización de aditivos coalescentes. ...................................................................... 101
ANEXO J. Caracterización reológica del cemento asfáltico C.A.1. .......................... 102
ANEXO K. Caracterización reológica del cemento asfáltico C. A. ........................... 106
ix
REFORMULACIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE CEMENTO
ASFÁLTICO DE LA EMPRESA IMPTEK – CHOVA DEL ECUADOR S.A
RESUMEN
Desarrollo de una nueva formulación de cemento asfáltico producido por Imptek – Chova
del Ecuador S.A, para reemplazar la fibra mineral (amianto) y utilizar la concentración
máxima permitida de emulsión asfáltica sin alterar las propiedades del producto final.
Se estudió la influencia de las variables: tipo de fibra (amianto, arbocel, lana de roca,
fibra de vidrio y nylon reciclado) y la relación de la concentración de la base soluto y
base solvente (emulsión asfáltica). Se determinó que siete de las 25 muestras
caracterizadas física y químicamente cumplen todas las especificaciones, y de éstas en
base al análisis estadístico y caracterización mecánica, se seleccionó la que más se
asemeja al comportamiento del cemento asfáltico, a la cual se le realizó la
caracterización reológica. Posteriormente se diseñó un tanque mezclador optimizando
las condiciones de operación del proceso
Se concluye que la nueva formulación del cemento asfáltico: fibra de vidrio en reemplazo
del amianto, una nueva resina acrílica estirenada, un aditivo coalescente y un mayor
porcentaje de emulsión asfáltica (5% aproximadamente); mejoró sus propiedades de
impermeabilización, aceleró el tiempo de curado en un 50%, y la caracterización
reológica permitió determinar la temperatura máxima de almacenamiento que
correspondió a 70°C.
PALABRAS CLAVE: /EMULSIONES ASFÁLTICAS/ CEMENTO ASFÁLTICO/
FORMULACIÓN DE PRODUCTOS/ FIBRAS MINERALES/ FIBRAS DE VIDRIO/
AMIANTO.
x
REFORMULATION OF THE ASPHALT CEMENT OF THE LINE OF LIQUID
COATINGS IN THE COMPANY IMPTEK - CHOVA DEL ECUADOR S.A
ABSTRACT
Development of a new formulation of the asphalt cement produced by Imptek - Chova of
the Ecuador S.A, to replace the mineral fiber (asbestos) and to use the maximum
concentration allowed of asphalt emulsion without altering the properties of the final
product.
The influences of the variables: fiber type (asbestos, arbocel, rockwool, fiberglass and
recycled nylon) and the relationship between the solute base concentration and solvent
base (asphaltic emulsion) were studied. It was determined that seven of the 25 samples
characterized physically and chemically meet all the specifications. Also, between these
based on statistical analysis and mechanical characterization, it was selected the sample
that resembles the most to the asphalt cement behavior, to which a rheological
characterization was performed. Subsequently, a mixing tank was designed optimizing
the operating conditions of the process.
It is concluded that the new formulation of asphalt cement: fiberglass replacing asbestos,
a new styrene acrylic resin, a coalescing additive, and a higher percentage of asphalt
emulsion (approximately 5 %): Improved its waterproofing properties, accelerated the
curing time by 50 %, and the rheological characterization allowed to determine the
maximum storage temperature corresponding to 70 ° C
KEY WORDS: ASPHALT EMULSIONS / ASPHALT CEMENT / PRODUCT
FORMULATION / MINERAL FIBERS / FIBERGLASS / ASBESTOS.
1
INTRODUCCIÓN
En la actualidad el asbesto es utilizado por Imptek – Chova del Ecuador S.A. para la
producción de cemento asfáltico de la línea de revestimientos líquidos. En el Ecuador
existe una alta demanda en la importación de este mineral por sus propiedades de:
resistencia al calor, (soporta temperaturas hasta de 800 °C), resistencia a los ácidos y
como aislante tanto de frío como de calor; en la industria de la construcción es
considerado como un buen aislante, formando una malla de protección entre la
superficie y el producto aplicado, se considera un material durable e indestructible, por
lo tanto, es utilizado para la construcción de algunos tipos de tejas para casas.
El Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos, la Oficina de
Protección Ambiental y la Oficina Internacional para la Investigación del Cáncer
clasificaron en 1789 al asbesto como un producto cancerígeno humano, al desprender
sus fibras en el aire, existe una alta probabilidad de que se alojen en los pulmones. Con
el pasar del tiempo, las fibras pueden acumularse causando cicatrices e inflamación, así
como problemas de respiración, provocando enfermedades como: asbestosis,
mesotelioma pleúrico y cáncer de pulmón. Por otro lado, poco a poco este tema se ha
convertido también en un problema ambiental, no solo la exposición directa al polvo de
asbesto generado en las plantas de producción causa daño, sino el contacto indirecto
con este material, como al lavar la ropa de los trabajadores, los desechos acumulados
en techos y tubos de alcantarillado, entro otros.
En el convenio 162 la Organización Mundial de la Salud (OMS) junto con la Organización
Internacional del Trabajo (OIT) afirmaron el peligro del uso de asbesto en todos sus tipos
para la salud, al ser un mineral altamente cancerígeno, este convenio fue ratificado por
el Ecuador teniendo carácter vinculante, sus principios y normas desembocaron en la
elaboración del “Reglamento de Seguridad para Uso del Amianto”, mediante Acuerdo
Ministerial del 9 de agosto del 2000, el cual regula el uso y la manipulación del asbesto.
Debido a esta categorización, en la actualidad no se cuenta con producción del asbesto,
poniendo en riesgo la producción de los productos que incluyen este compuesto dentro
de su composición. El presente proyecto de investigación se enfoca en buscar una fibra
mineral que pueda sustituir al asbesto de la composición del cemento asfáltico,
obteniendo un producto de iguales o mejores características manteniendo los costos de
2
producción. No existen referencias bibliográficas previas acerca del cemento asfáltico,
para evaluar su estudio se toma como referente a sus materias primas.
El asfalto es utilizado en la obtención de emulsión asfáltica (materia prima para la
elaboración de cemento asfáltico) categorizando al cemento asfáltico como material
bituminoso (asfalto modificado con resinas) según la Norma INEN 2062 (Productos
derivados del petróleo. Emulsiones asfálticas catiónicas. Requisitos).
El cemento asfáltico cumple propiedades de imprimación, impermeabilización y
adhesividad. Un inconveniente al momento de su aplicación es el largo tiempo que toma
para secarse cuando es aplicado a la intemperie que en muchas ocasiones excede las
48 horas desde su aplicación. Se busca una forma de disminuir este tiempo estudiando
la composición del producto de manera análoga a las pinturas y barnices, cuyas
materias primas pueden ser clasificadas en tres categorías: base solvente (emulsión
asfáltica), base soluto (alcohol polivinílico, poli vinil acetato, resina acrílica estirenada,
caolín) y aditivos (agua, microbicida).
En el proceso de secado se tomó como referencia las pinturas, identificando tres etapas:
secado, endurecimiento y curado, esta clasificación es similar al proceso por el que pasa
el cemento asfáltico al pasar de un estado líquido a un estado sólido, en el cual se
evaporan solventes y diluyentes que han sido aplicados al cemento asfáltico; cuando
pasa a la etapa de endurecimiento, la resina principal se cura y endurece con el resto
de aditivos para finalmente obtener una superficie seca y dura. En este proceso, el
cemento asfáltico puede activarse al incrementar a la formulación un aditivo que acelere
la formación de película, o que a su vez forme una película homogénea evitando la
formación de “piel” cuando se aplica a la intemperie. El aditivo utilizado es Texanol.
La viscosidad es una de las propiedades que rigen el comportamiento del cemento
asfáltico. La influencia de la temperatura sobre esta propiedad, conlleva a clasificar al
cemento asfáltico como un fluido no newtoniano, pues al obtener cambios bruscos en
su temperatura se presenta una alteración en su estructura molecular, generando una
ruptura de fases y por ende una alteración notable en su viscosidad. Mediante ensayos
reológicos se logró determinar el valor máximo de temperatura que puede soportar la
mezcla antes de sufrir algún tipo de alteración.
Finalmente se obtiene un nuevo cemento asfáltico que cumple estándares de calidad
impuestos por la empresa, en base a normas ASTM, INEN, UNE e internas,
garantizando el cumplimiento de sus aplicaciones industriales: imprimación (relaciones
con agua de 1:1, 1:2, 1:3), impermeabilización (gracias a la sustitución de la resina
acrílica estirenada 445 por la resina acrílica estirenada 562) y adhesividad.
3
1. CEMENTO ASFÁLTICO
El cemento asfáltico es una mezcla de polímeros que, agregados al asfalto, le confieren
propiedades aglomerantes e impermeabilizantes, características de flexibilidad,
durabilidad y alta resistencia a la mayoría de los ácidos, sales y álcalis, pudiendo ser
utilizado como pegante de fisuras, impermeabilizante e imprimante de superficies dentro
de la industria de la construcción.
El cemento asfáltico es un recubrimiento líquido cuya base solvente es la emulsión
asfáltica, por lo cual posee propiedades inherentes del asfalto, como:
Impermeabilizar la estructura del pavimento.
Proporcionar una fuerte unión y cohesión entre agregados.
Mejorar la capacidad portante de la estructura.
1.1. Asfaltos
Los asfaltos son mezclas complejas de hidrocarburos de alto peso molecular, con una
notable proporción de heteroátomos (oxígeno, azufre, nitrógeno) y cierta cantidad de
metales, tales como vanadio y níquel. Adicionalmente, la mayoría de los asfaltos
muestran en su composición ciertas sales orgánicas solubles en forma de micro
cristales.
El asfalto puede ser caracterizado de tres maneras: grado de viscosidad, grado de
penetración y grado de desempeño, cada caracterización intenta evaluar la consistencia
del asfalto a una o varias temperaturas, así como propiedades relacionadas con pureza,
susceptibilidad al envejecimiento y seguridad.
En las Tablas 1, 2 y 3 se encuentra el detalle de la caracterización que se realiza a los
asfaltos.
4
Tabla 1. Ensayos específicos para medir las propiedades del asfalto [1]
ENSAYO NORMA DE
REFERENCIA DESCRIPCIÓN
Viscosidad a 60 °C. ASTM D – 2171
Se utiliza para valorar el efecto de la temperatura
en el comportamiento del material, para su
producción y almacenamiento.
Viscosidad cinemática a 135 °C
ASTM D – 2170
Determina el comportamiento del material con
respecto a la temperatura, de esta forma se
garantizan condiciones adecuadas para el
almacenamiento del asfalto, transporte y bombeo,
se utiliza en el cálculo de temperaturas de
mezclado y compactación, junto al ensayo de
viscosidad absoluta a 60 °C.
Penetración a 25 °C ASTM D – 5
Cuantifica la dureza del asfalto, consiste en medir
la penetración de una aguja de punta cónica
estándar en función de la fuerza aplicada y del
tiempo de aplicación. Se trabaja a 25 °C con una
carga de 100 g. durante 5 s. Los resultados se
expresan en décimas de milímetro.
Punto de inflamación con copa abierta
Cleveland.
ASTM D – 92 Indica los peligros de su manejo especialmente a
altas temperaturas. Se utiliza el método Cleveland
o de la copa abierta.
Solubilidad en tricloroetileno.
ASTM D – 70
Determina el contenido de asfalto en el asfalto
original. La porción de asfalto soluble en
tricloroetileno está constituida por los elementos
aglomerantes activos, la parte insoluble es
considerara materia inerte y posiblemente de
naturaleza inorgánica. Permite identificar el
porcentaje de contaminantes en el asfalto.
Efecto del calor y el aire en materiales
asfálticos mediante el horno de película
delgada “TFO”.
ASTM D – 1754
Evalúa la susceptibilidad al endurecimiento o
envejecimiento que tendría el asfalto durante las
operaciones de mezclado. Esta tendencia al
endurecimiento o envejecimiento se mide por un
cambio de masa (ganancia o pérdida) comparando
la masa original respecto a la masa luego del
calentamiento en el horno TFO.
Viscosidad a 60 °C (al residuo TFO).
ASTM D – 113
Proporciona información preliminar del
comportamiento del asfalto posterior a la etapa de
envejecimiento TFO. Se mide la viscosidad del
asfalto acondicionado TFO y se compara con el
valor inicial de viscosidad absoluta del asfalto en
condición original. De esta información se obtiene
la razón de viscosidades.
Ductilidad a 25 °C. ASTM D – 113
La presencia o ausencia de ductilidad es
importante porque mide la capacidad del asfalto a
la elongación antes de romperse, bajo condiciones
controladas. Los asfaltos dúctiles tienen
normalmente mejores propiedades aglomerantes.
5
Tabla 2. Límites de grado de viscosidad del asfalto [2]
Tabla 3. Ensayos específicos para caracterizar al asfalto según su grado de
penetración.
ENSAYO NORMA DE
REFERENCIA
Penetración a 25 °C. ASTM D – 5
Punto de inflamación con copa abierta
Cleveland. ASTM D – 92
Ductilidad a 25 °C. ASTM D – 113
Solubilidad en tricloroetileno. ASTM D – 70
Cambio de masa en horno de película delgada
TFO. ASTM D – 1754
Penetración a 25 °C (al residuo TFO). ASTM D – 5
Ductilidad a 25 °C (al residuo TFO). ASTM D – 113
En la Tabla 1 se ha presentado la descripción de algunos de los ensayos mencionados
en la Tabla 3, a continuación, se presenta la descripción de los ensayos restantes:
1.1.1. Penetración a 25 °C (al residuo TFO). - Proporciona una estimación del
comportamiento del asfalto posterior a la etapa de envejecimiento TFO, se mide la
penetración a 25 °C del asfalto acondicionado TFO y se compara con el valor inicial de
penetración a 25 °C del asfalto en condición original. De esta forma se obtiene
CARACTERÍSTICA UND MÉTODO
ASTM GRADO DE VISCOSIDAD
AC - 25 AC – 5 AC – 10 AC – 20 AC - 30 AC – 40
Viscosidad, 60°C
N s/m2 D – 2170 250 ± 50 500 ± 100
1000 ± 200
2000 ± 400 3000 ±
600 4000 ± 800
Viscosidad, 135 °C, mínimo.
mm2/s D – 2170 125 175 250 300 350 400
Penetración, 25 °C, 100g.5s.
1/10 mm
D – 5 220 140 80 60 50 40
Punto de inflamación, Cleveland copa abierta.
°C D – 92 163 177 219 232 232 232
Solubilidad en tricloroetileno.
% D – 2042 99 99 99 99 99 99
Pruebas sobre el residuo del ensayo de horno sobre película delgada.
N/A D – 1754 N/A N/A N/A N/A N/A N/A
Ductilidad, 25 °C, 5 cm/min.
cm D – 113 100 ^ 100 75 50 40 25
6
información cuantitativa del envejecimiento del asfalto después del acondicionamiento
en el horno TFO.
1.1.2. Equivalencias entre el grado de viscosidad y grado de penetración. - Si bien
es cierto que se puede utilizar la clasificación de grado de viscosidad a 60 °C o la de
penetración a 25 °C, también es importante conocer la equivalencia (Tablas 4 y 5) para
estas dos formas de clasificación del asfalto destinado para la construcción de
pavimentos.
Tabla 4. Equivalencias entre grado de penetración y grado de viscosidad [3]
Grado de Penetración Grado de Viscosidad AC
(Asphalt Cement)
40 – 50 AC – 40
60 – 70 AC – 20
85 – 100 AC – 10
120 – 150 AC – 5
200 – 300 AC – 2.5
Tabla 5. Especificaciones para asfaltos clasificados según su grado de penetración [4]
.
CARACTERÍSTICA UND MÉTODO
ASTM
GRADO DE PENETRACIÓN
40 – 50 60 – 70 85 - 100 120 - 150 200 – 300
Min Máx Min Máx Min Máx Min Máx Min Máx
Penetración, 25 °C, 100g.5s
--- D – 5 40 50 60 70 85 100 120 150 200 300
Punto de inflamación, Cleveland copa abierta.
°C D – 92 232 --- 232 --- 232 --- 218 --- 177 ---
Ductilidad, 25 °C, 5 cm/min. Cm D – 113 100 --- 100 --- 100 --- 100 --- 100^ ---
Solubilidad en tricloroetileno.
% D – 2042 99 --- 99 --- 99 --- 99 --- 99 ---
Penetración retenida después de la prueba de horno sobre película delgada.
%
D - 5
después
de
realizar D
- 1754
55+ --- 52+ --- 47+ --- 42+ --- 37+ ---
Ductilidad 25 °C, 5 cm/min, al residuo TFO.
Cm
D - 113
después
de
realizar D
- 1754
--- --- 50 --- 75 --- 100 --- 100^ ---
Nota 1: Si la ductilidad a 25 °C es menor que 100 cm se puede aceptar el material a una tasa de 5 cm/min.
7
1.1.3. Grado de desempeño, PG.- “Permite definir el comportamiento reológico de los
asfaltos por las temperaturas máxima y mínima que se esperan en el lugar de su
aplicación, dentro de las cuales se asegura un desempeño adecuado para resistir
deformaciones o agrietamientos por temperaturas bajas o por fatiga” [5]. El PG permite
seleccionar el asfalto más adecuado para una determinada obra, en función del clima
dominante y de la magnitud del tránsito a que estará sujeto durante su vida útil.
Este ensayo permite clasificar al asfalto con dos objetivos:
Medir las propiedades reológicas que pueden ser relacionadas con parámetros de
desempeño de terreno para tres fallas críticas: ahuellamiento, agrietamiento por
fatiga y agrietamiento térmico.
Caracteriza propiedades reológicas de los asfaltos según las temperaturas y efectos
del envejecimiento a los que estarán sometidos durante la construcción y su vida
útil.
Las muestras evaluadas con los ensayos descritos en la Tabla 6 son:
Ligante asfáltico en condición original (virgen).
Ligante asfaltico envejecido en el horno de película delgada rotacional “RTFO”.
Ligante asfaltico envejecido en RTFO y luego en el recipiente de envejecimiento
presurizado “PAV”.
Tabla 6. Ensayos específicos para caracterizar un asfalto según su grado de
desempeño, PG. [6]
ENSAYOS NORMA DE
REFERENCIA DESCRIPCIÓN
Punto de inflamación con
copa abierta Cleveland. ASTM D – 92
Descrito en la Tabla 1: Especificaciones del asfalto
por su grado de viscosidad
Viscosidad dinámica a
135 °C. ASTM D – 4402
El viscosímetro rotacional (RV) caracteriza la rigidez
(stiffness) del asfalto a 135 °C, temperatura en la cual
se comporta casi enteramente como un fluido.
Consiste en un cilindro rotacional coaxial, que mide
la viscosidad por medio del torque requerido para
rotar un eje N°21 (spindle) sumergido en la muestra
de asfalto caliente a una velocidad constante.
Efecto del calor y el aire
en una película delgada
de asfalto en movimiento
mediante el horno de
película delgada
rotacional, o sus siglas
en inglés Rolling Thin
Film Oven (RTFO).
ASTM D – 2872
Un aspecto clave en la evaluación de ligantes
asfálticos, es que las propiedades físicas son
medidas sobre ligantes que han sido envejecidos en
laboratorio para simular las condiciones de
envejecimiento en un pavimento en operación. Las
propiedades físicas se miden mediante reología de
los ligantes envejecidos en el RTFO, para simular el
endurecimiento por la oxidación que ocurre durante
el mezclado en caliente y la colocación.
8
(Continuación Tabla 6)
ENSAYOS NORMA DE
REFERENCIA DESCRIPCIÓN
Determinación de
propiedades reológicas de
materiales bituminosos.
AASHTO T – 315
ASTM D – 7175
Las muestras se miden en el DSR (Reómetro
Dinámico de Corte), para caracterizar las
propiedades visco-elásticas del ligante. Se mide el
modulo complejo en corte (G*), el ángulo de fase (δ),
sometiendo una muestra pequeña de ligante a
tensiones de corte oscilante, la muestra se coloca
entre dos platos paralelos.
Ensayo de envejecimiento
de ligantes asfálticos
utilizando el recipiente de
envejecimiento presurizado
PAV.
ASTM D – 6521
El ensayo permite simular además del
endurecimiento por la oxidación que ocurre durante
el mezclado en caliente y la colocación, el severo
envejecimiento que sufre el ligante después de varios
años de servicio en un pavimento.
1.2. Reología
Ciencia que estudia la deformación y el flujo de los materiales sometidos a fuerzas
externas, “analizando la relación existente entre las variables esfuerzo (σ), deformación
producida (ϒ), gradiente de velocidad o velocidad de deformación (𝑑𝛾 𝑑𝑡 = 𝛾)̇⁄ y tiempo
(t), dependiendo de cómo sea esta relación, los materiales presentan comportamientos
reológicos diferentes” [7].
En la Figura 1 se esquematiza la clasificación del comportamiento reológico de los
fluidos.
Figura 1. Comportamiento de los materiales según estudios de reología. [8]
Sólido
Sólido rígido (sólido
euclidiano)
Sólido deformable
Sólido elástico
(sólido de Hoocke)
Sólido no lineal
Fluido
Fluido viscoso
Fluido no newtoniano
Fluido clásico
(Fluido newtoniano)
Fluido ideal
(Fuido pasacaliano)
9
La mayoría de los materiales no son perfectamente líquidos, viscosos, ni sólidos
elásticos, su comportamiento abarca un módulo finito y un valor de viscosidad medible.
Cuando se necesita analizar la deformación de un asfalto, siempre se observará un
material viscoso y un componente de fuerza elástica.
Para los casos en el que la geometría del flujo es compleja, como el comportamiento
del plástico, Eisenschitz y colaboradores (1994) propusieron el triángulo que se describe
en la Figura 2, con la finalidad de clasificar los límites del campo de la reología.
Figura 2. Diagrama de Eisenschitz, Rabinowistsch y Weissenberg para la energía
reológica en coordenadas triangulares.
El estado de un cuerpo o sistema está representado por un punto en el interior del
triángulo, donde: A) es la fracción de la energía total representada por la energía
cinética, B) es la fracción que representa la energía elástica o almacenada, y C) es la
energía disipada o perdida.
1.2.1. Líquido viscoso o fluido newtoniano.- En este tipo de fluidos la resistencia
surgida por la falta de deslizamiento de las partes del fluido es proporcional a la
velocidad con que las partes del líquido se separan entre sí.
La fuerza F requerida para mantener el movimiento entre dos fluidos situados en dos
posiciones arbitrarias, posiciones C y D de la Figura 2, es proporcional a la diferencia
entre la velocidad, “u”, e inversamente proporcional a la distancia, “r”, entre esas dos
superficies. Por lo tanto:
𝐹 = 𝐴 ∗ 𝜂 ∗𝑢𝑑 − 𝑢𝑐
𝑟𝐷 − 𝑟𝐶 (1)
10
Donde:
A, representa el área entre las dos posiciones.
η, representa el valor de viscosidad.
En el caso de un flujo de cizallamiento generado entre dos placas paralelas, la Ecuación
(1) puede expresarse en términos de esfuerzo cortante.
𝐹
𝐴= 𝜂 ∗
𝑢
ℎ (2)
𝜏𝑥𝑦 = 𝜂 ∗ �̇�𝑥𝑦 (3)
Donde, 𝜏𝑥𝑦 es la tensión de corte en la dirección x en un plano con su dirección normal
apuntando al eje y; �̇�𝑥𝑦 es la tasa de cizallamiento correspondiente, o también llamada
velocidad de deformación. La tensión de corte que conduce a la deformación del fluido
contenido dentro del sistema también se refiere como la tensión desviada.
Figura 3. Respuesta a la deformación de un fluido newtoniano y un sólido de Hooke.[9]
En la Figura 3, se representa la tensión dentro de un fluido newtoniano, para el caso en
el que se aplica una tensión constante durante un periodo de tiempo de 0 a Δt, una vez
que se libera la carga en el instante Δt, el material permanece deformado. Esto se refleja
en el punto "C" del triángulo de Eisenschitz, Rabinowitsch y Weissenberg, en el cual
toda la energía se disipa o se pierde y la deformación ya no se puede recuperar.
11
1.2.2. Elasticidad lineal o resorte de Hooke.- Existe una relación entre la fuerza y la
deflexión en los sólidos elásticos lineales, la teoría se resume a que la fuerza F es
directamente proporcional a la deflexión Δx, para lo cual se establece la siguiente
ecuación:
𝐹 = 𝑘 ∗ Δ𝑥 (4)
Donde k, es la constante de proporcionalidad o constante de elasticidad, conocida
también como rigidez. Posteriormente, se representó la fuerza en términos de estrés,
F/A y el desplazamiento en términos de tensión, Δx/h, donde h representa la longitud
original. Por lo tanto, las unidades de la constante de elasticidad pueden ajustarse
utilizando modelos de elasticidad o tensión, E, para un sistema que se deforma mediante
cizallamiento, como el representado en la Figura 4.
Figura 4. Sólido de Hooke deformado por cizallamiento. [10]
Para comprender el esquema representado en la Figura 4, se presenta la siguiente
ecuación:
𝐹
𝐴= 𝐺 ∗
Δ𝑥
ℎ (5)
Donde G representa el módulo de rigidez.
En términos de tensión y cizallamiento, la ecuación 5 se puede escribir:
𝜏𝑥𝑦 = 𝐺 ∗ 𝛾𝑥𝑦 (6)
Donde 𝜏𝑥𝑦 representa el esfuerzo cortante y 𝛾𝑥𝑦 la deformación por cizalla.
1.2.3. Viscoelasticidad y el modelo de Maxwell.- El modelo se basa en el hecho de
que cuando se aplica una tensión τxy al sistema, esta tensión es la misma en los
elementos fluidos y sólidos, y la tensión total es la suma de la deformación elástica 𝛾𝑥𝑦𝐺
y a la tensión viscosa 𝛾𝜂𝑥𝑦, para lo cual se obtiene:
12
𝜏𝑥𝑦 = 𝜏𝜂𝑥𝑦 = 𝜏𝐺
𝑥𝑦 (7)
𝛾𝑥𝑦 = 𝛾𝐺𝑥𝑦 + 𝛾𝜂
𝑥𝑦 (8)
Las Ecuaciones (7) y (8) derivadas en el tiempo, representan una función para la
velocidad total de deformación o tasa de esfuerzo.
�̇�𝑥𝑦 = �̇�𝐺𝑥𝑦 + �̇�𝜂
𝑥𝑦 (9)
Combinando las Ecuaciones (7) y (8) con las leyes mencionadas para el
comportamiento de un resorte se obtiene la ecuación diferencial lineal de Maxwell.
𝛿𝜏𝑥𝑦
𝛿𝑡= 𝐺 ∗
𝛿𝛾𝑥𝑦
𝛿𝑡−
𝜏𝑥𝑦
𝜆 (10)
Donde λ = G/η conocido como el tiempo de relajación. En el caso de la tensión
constante, la ecuación diferencial lineal de Maxwell se transforma en:
𝛾𝑥𝑦 = 𝜏𝑥𝑦
𝜂∗ 𝑡 +
𝜏𝑥𝑦
𝐺 (11)
Esquemáticamente el comportamiento es indicado en la Figura 5, para el caso en que
se aplica una tensión constante desde el t = 0 hasta t = t + Δt.
Figura 5. Fluencia en el modelo de Maxwell. [11]
La Figura 5 muestra cómo el material experimenta una deformación instantánea,
causada por su componente elástico, y continúa deformándose a una tasa constante,
causada por su componente viscoso. “El flujo continuo experimentado por el material
13
bajo carga constante se denfluencia o retraso. Una vez que se libera la carga, se
recupera la deformación elástica almacenada y permanece la deformación viscosa” [12]
Para este caso el modelo lineal de Maxwell se representa por:
𝜏𝑥𝑦 = 𝐺 ∗ 𝛾𝑥𝑦𝑒1𝜆 (12)
Cuando se necesita determinar las condiciones en las que va a fluir un material durante
su fabricación, transporte, almacenamiento o utilización se manipulan técnicas
viscosimétricas, por otro lado, si lo que se desea es determinar la relación del material
con su microestructura entonces se deben manejar técnicas viscoelásticas.
El material debe ser analizado en dos fases: fases estable y dinámica, por lo tanto, las
pruebas a realizar son:
a) Reversibilidad.
b) Flujo constante.
c) Tixotropía.
d) Amplitud de barrido.
e) Frecuencia de barrido.
Las pruebas a), b) y c) sirven para evaluar y determinar las características mecánicas
constantes, mientras que las pruebas d) y e) indican las características mecánicas
dinámicas.
Para la determinación correcta de las propiedades reológicas de un material se debe
tener en cuenta que estas propiedades dependen de diferentes variables físicas de una
manera compleja. Tales variables son: la naturaleza fisicoquímica del material,
temperatura, presión, tiempo, rapidez de deformación y campos de origen
electromagnético, entre otras.
El asfalto es considerado como un material viscoelástico porque exhibe características
viscosas y elásticas simultáneamente, es decir que es un material de comportamiento
intermedio entre el sólido de Hooke (elástico) y el líquido de Newton (viscoso), Conisky
et. al. cita “La consistencia del asfalto decrece a medida que aumenta la temperatura, a
muy bajas temperaturas se comporta como un sólido rígido, a temperaturas medias
tiene un comportamiento visco-elástico y a altas temperaturas es un líquido viscoso” [13].
Por otro lado, las mezclas asfálticas deben cumplir algunas propiedades, es decir, deben
ser: resistentes al desplazamiento, a la fatiga, al deslizamiento, a la deformación
plástica, impermeables, durables y con un grado adecuado de flexibilidad. El
14
desempeño, durabilidad y resistencia de la mezcla asfáltica depende directamente de
las propiedades del ligante y el agregado.
El comportamiento reológico de mezclas inmiscibles no sólo depende de los
componentes y sus concentraciones, sino también de la estructura y tamaño de los
dominios, tensión interfacial, temperatura e historia termomecánica aplicada a la mezcla.
1.3. Emulsión asfáltica
“Una emulsión asfáltica consiste en una dispersión de finas gotas de asfalto,
estabilizadas en una fase acuosa, por la presencia de un agente emulsificante,
obteniéndose un producto relativamente fluido” [14].
Básicamente, una emulsión está constituida por asfalto, agua, un emulsificante, y según
el tipo de emulsión, se puede adicionar un aditivo.
1.3.1. Surfactantes en emulsiones asfálticas. – Con el propósito de dispersar el
asfalto en la fase acuosa de una emulsión, se emplean emulsionantes, cuya función es
vencer la enorme tensión interfacial entre el asfalto y el agua. “Los emulsionantes
favorecen la formación de la doble capa eléctrica alrededor de las gotas de asfalto, que
impide que éstas puedan unirse y por ende desestabilizar la emulsión ya formada” [15].
En el caso de emulsiones asfálticas para mezclas, tanto el contenido de emulsificante
como el pH de la solución acuosa, tienen gran influencia en la propiedad de adherencia
de las gotas de asfalto.
Dependiendo del tipo de emulsionante utilizado existen los siguientes tipos de
emulsiones asfálticas:
a) Emulsiones catiónicas. - Las emulsiones preparadas con surfactantes catiónicos
son más estables, se rompen al ponerse en contacto con la superficie en la cual se
fija la fase orgánica dispersada. La película formada se adhiere fuertemente a la
superficie y es relativamente insensible al agua.
b) Emulsiones aniónicas. - Los surfactantes utilizados para la preparación de este
tipo de emulsión son sulfonatos de lignina o casi todos los derivados del petróleo,
tales como: naftenatos, sulfonatos, cresilatos y sales de sodio de ácidos grasos. La
rapidez con la que se rompe la emulsión en presencia del material a adherirse es
una de sus principales características.
15
c) Emulsiones no iónicas. – Los surfactantes no iónicos no producen iones en
solución acuosa, lo cual se debe a la presencia de grupos hidrofílicos del tipo
alcohol, fenol, éter o amina. Como consecuencia de que no existe una interacción
iónica entre el emulsificante y el material pétreo, su utilización puede ocasionar una
pobre adhesión entre el asfalto emulsificador y el mineral, a menos que el
emulsificante se utilice en un medio ácido o básico.
1.4. Escalamiento industrial lineal
En el escenario de la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías está presente
siempre la problemática de cómo convertir, en una estructura económica de producción,
los conocimientos logrados en el laboratorio, concatenándolos con otros conocimientos
ya establecidos, para poder llegar de esa forma a una escala comercial de producción.
Estos problemas pueden ser agrupados en dos tipos fundamentales: los que se
relacionan exclusivamente con la necesidad de manejar grandes volúmenes de material
y aquellos en que la naturaleza misma del problema se ve afectada por el tamaño de la
escala de operación. [16]
1.4.1. Etapas a considerar en el proceso de escalamiento industrial. - El volumen
de los equipos ha sido considerado como el criterio fundamental para delimita una etapa
de otra, aunque también se han utilizado criterios como: las relaciones entre las
dimensiones lineales de los equipos (factores de escala geométricos), a partir de
consideraciones de criterios de semejanza.
Las cinco etapas en las que se encuentra dividido el proceso de escalamiento son:
1. Laboratorio.
2. Banco.
3. Piloto.
4. Semi-industrial.
5. Industrial.
16
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1. Procedimientos experimentales para la obtención de emulsión asfáltica y
cemento asfáltico.
El procedimiento realizado es el que actualmente utiliza la empresa Imptek – Chova del
Ecuador S.A. para la preparación de emulsión asfáltica (Figura 6) y del cemento asfáltico
(Figura 7).
2.1.1. Emulsión asfáltica
Figura 6. Diagrama de flujo para la elaboración de emulsión asfáltica (materia prima en
la elaboración de cemento asfáltico).
2.1.1.1. Materiales y equipos
Balanza de calibración (Mettler Toledo). V = 1510 g Ap ± 0,01 g
Vasos de precipitación. V = 1000 mL Ap ± 20 mL
Agitadores de vidrio.
Termómetro. R (0 – 600) °C Ap ± 1°C
Potenciómetro S400 (Mettler Toledo). R (-2 – 20) Ap ± 0,002
Estufa. R (0 – 600) °C Ap ± 1°C
Reverbero eléctrico. Potencia: 1000 w Voltaje: 220V
Molino coloidal. V = 5000 mL
Baño María (Humboldt). Capacidad: 8 L
Recepción de
materias primas
Solución Jabonosa (Asfhier 211
+ Agua)
HCl
ASFALTO
EMULSIÓN
ASFÁLTICA
Velocidad de Agitación = 100 RPM
Tiempo = 5 min
Temperatura = 135 °C
Temperatura = 35 – 45°C
pH = 1,8 – 2,2 pH = 2,5 - 3
17
Penetrómetro (RAC). P = 6 kg
2.1.1.2. Sustancias y reactivos
Agua de pozo. H2O(l)
Ácido Clorhídrico 32% P/P. HCl(l)
Asfhier 211 (emulsificante catiónico). Líquido
Asfalto 20/60. Líquido a T = 130 °C
Aceite plastificante. Líquido.
2.1.1.3. Procedimiento
a) Preparación de solución jabonosa. - Mezclar 364,20 g de agua de pozo con 100
g de asfhier 211, se agita hasta tener una solución homogénea. Medir el valor de pH
y se titula la mezcla formada con ácido clorhídrico (32 % de concentración) hasta
obtener un rango de pH entre 1,7 y 2,2 y mantener una temperatura entre 32 °C y
34 °C.
b) Preparación del asfalto. - Calentar el asfalto AC – 20 a una temperatura de 135 ±
3 °C hasta que se encuentre en un estado líquido y se mezcla con 48 g de aceite
plastificante para rejuvenecerlo.
c) Preparación de emulsión asfáltica. - En el molino de mezcla agregar el asfalto y
posterior a esto la solución jabonosa, se deja mezclar por 30 min y descargar (los
líquidos salen de la mezcla) por la válvula de salida del equipo.
Se realizaron los ensayos físicos químicos descritos en el Anexo B para validar las
propiedades de la emulsión asfáltica.
18
2.1.2. Preparación de cemento asfáltico C.A.
Figura 7. Diagrama de flujo para la obtención de cemento asfáltico en la empresa Imptek
– Chova del Ecuador S.A.
2.1.2.1. Materiales y equipos
Vasos de precipitación. V = 1000 mL Ap ± 20 mL
Vasos de precipitación. V = 200 mL Ap ± 5 mL
Vasos de precipitación. V = 100 mL Ap ± 1 mL
Balanza de analítica (Mettler Toledo). R (0 – 1510) g Ap ± 0,01 g
Agitadores de vidrio.
Estufa. R (0 – 600) °C Ap ± 1°C
Potenciómetro S400 (Mettler Toledo). R (-2 – 20) Ap ± 0,002
Viscosímetro (DV2T). Rango: (100 – 40000) cP.
Papel aluminio.
Copa galón. P = 220 g
Agitador de turbina tipo hélice a escala de laboratorio (Manich).
2.1.2.2. Sustancias y reactivos
Emulsión asfáltica preparada en el numeral 2.2.1. Líquido
Microbicida – Kathon. Líquido
Polivinil acetato 114. Líquido
Solución de alcohol polivinílico al 20 %. Líquido
Caolín. Sólido
Resina acrílica estirenada 562. Líquido
Recepción de
materias primas
Polivinil Acetato 114
Solución de Alcohol Poli
vinílico
Caolín
AGUA
Emulsión
Asfáltica
Primera
Mezcla
Resina acrílica estirenada 445
Fibras minerales
Microbicida
CEMENTO
ASFÁLTICO
Velocidad de Agitación = 160 RPM
Tiempo = 20 min
19
Fibras minerales. Sólido
Agua de pozo. H2O(L)
Texanol (aditivo coalescente). Líquido
2.1.2.3. Procedimiento
a) Pesar las materias primas según la formulación presentada para una base de
cálculo de 3000 g.
b) Encender el agitador a una velocidad inicial de 250 rpm y se agrega la emulsión
asfáltica.
c) Agregar en forma lenta el polivinil acetato 114 y a medida que la mezcla se va
tornando viscosa se aumenta la velocidad hasta llegar a 2500 rpm. A esta velocidad
agregar el caolín y la solución de alcohol polivinílico al 20 %, mezclar hasta obtener
una solución homogénea por aproximadamente 25 min.
d) Una vez disperso todo el caolín en la solución se agrega las fibras minerales y la
resina acrílica estirenada, durante el proceso se va adicionando agua para facilitar
la dispersión de las fibras en la composición. Mezclar hasta que las fibras queden
totalmente dispersas.
e) Finalmente agregar el microbicida con la finalidad de evitar el crecimiento
microbiano que se genera al mezclar las resinas y el agua de pozo.
f) Dejar en agitación por 15 minutos, se retira el envase del agitador y realizar los
ensayos descritos en el Anexo C para validar las propiedades del cemento asfáltico.
2.2. Proceso de reformulación en la composición del cemento asfáltico
En la Figura 8 se detalla las propiedades fisicoquímicas y reológicas que rigen el
comportamiento del cemento asfáltico, mismas que servirán de base para realizar la
reformulación en la composición en el producto.
20
Cemento asfáltico
Caracterización fisicoquímica
Densidad relativa
Viscosidad
pH
Porcentaje de sólidos
Tiempo de secado
Análisis reológico
Velocidad de deformación
Esfuerzo de corte
Viscosidad
Resistencia térmica
Figura 8. Propiedades fisicoquímicas analizadas en el cemento asfáltico
El proceso de reformulación del cemento asfáltico consiste básicamente en encontrar
una nueva formulación que permita sustituir el tipo de fibra mineral que se utiliza
actualmente, y manipular el porcentaje máximo de emulsión asfáltica, misma que se
produce en las instalaciones de Imptek – Chova del Ecuador S.A. Se sigue el
procedimiento que se detalla en la Figura 9.
En la Figura 10, se presenta el algoritmo que refleja la secuencia de actividades para la
obtención de la nueva fórmula del cemento asfáltico.
Temperatura = constante Presión = constante
Temperatura = 25, 40, 60, 90 °C Presión = cte
21
Figura 9. Diagrama de bloques para el procedimiento de reformulación de la
composición del cemento asfáltico.
El punto de partida para la obtención de la nueva fórmula es encontrar un tipo de fibra
mineral que cumpla las mismas funciones que la utilizada en la formulación actual y que
sea compatible con el resto de materias primas.
Una vez encontrada la fibra que cumpla todas las exigencias del proceso, se busca
equilibrar el porcentaje de materias primas utilizadas con la finalidad de aumentar la
concentración de emulsión asfáltica. En esta reformulación se requiere que no se alteren
las propiedades del cemento asfáltico.
Variación de composiciones dela emulsión asfáltica (solvente)en relación con la mayor carga(soluto).
Reemplazar la fibra de asbestopor: lana de roca, fibra de vidrio,arbocel o nylon reciclado
Verificar compatibilidad dematerias primas con la nuevaformulación, confirmando lahomogeneidad de la mezcla
Realizar un análisis reológicodel cemento asfáltico con lafibra que mejor se acople a lacaracterización fisicoquímicapara obtener las curvas deesfuerzo cortante- velocidad dedeformación y viscosidad.
Realizar ensayos de verificaciónde aplicaciones: imprimación,impermeabilización y pegante.
Verificar que las propiedadesfísicas y químicas del productose encuentren dentro de loslímites establecidos por lasNormas INEN 1024 y 1017,entre las cules están: pH,resistencia térmica y viscosidad.
Optimizar el tiempo de secadodel cemento asfáltico al seraplicado a la intemperie.
Determinar las condiciones deoperación del proceso deproducción del cemento asfálticoa nivel de laboratorio.
Escalamiento industrial (métodoadecuado por verificar)
22
INICIO
Variar la composición de la emulsión asfáltica(solvente) en
relación con la mayor carga (soluto), al (5,10,15,20 o 25)%
Para cada composición utilizar los diferentes tipos de fibra mineral:
lana de roca, arbocel, nylon reciclado, fibra de vidrio, asbesto
¿La mezcla es homogénea?
Comprobar las propiedades fisicoquímicas tales como: pH,
viscosidad, densidad y resistencia térmica
Descartar la mezcla
¿Las especificaciones se encuentran dentro del rango?
Comprobar las aplicaciones de imprimación,
impermeabilización y pegante
¿Cumple las Propiedades?
Descartar la mezcla
Realizar un análisis reológico para observar la velocidad de
deformación en función del esfuerzo cortante
Optimizar el tiempo de secado del cemento asfáltico al ser aplicado a
diferentes superficies
Determinar las condiciones de operación a nivel de laboratorio
Realizar el escalamiento industrial
FIN
SI
NO
SI
SI
NO
NO
Figura 10. Flujograma de actividades para obtener la nueva formulación de cemento
asfáltico.
23
Al no disponer de referencias bibliográficas previas sobre el cemento asfáltico, para
poder iniciar el proceso de reformulación se lo va a clasificar análogamente a las
pinturas y barnices, su formulación puede asimilarse a estos materiales ya que se
cuenta con: base solvente, base soluto y aditivos.
En los instructivos internos de la empresa se encuentra la información correspondiente
a la formulación del cemento asfáltico, como se observa en la Tabla 7.
Tabla 7. Caracterización de materias primas del cemento asfáltico
COMPONENTE Composición Correlación entre
productos
Emulsión asfáltica 17,97 % Parte Solvente
Caolín 14,59 %
Parte soluto Solución de alcohol poli vinílico al 20 %
9,34 %
Poli vinil acetato 114 48,44 %
Resina acrílica estirenada 445 7,47 %
Microbicida 0,20 %
Aditivos Agua 1,17 %
Fibras Minerales 0,82 %
Total 100,00 %
2.2.1. Análisis estadístico para el proceso de formulación del cemento asfáltico.
- En la Figura 11 se presentan las variables dependientes y los factores a ser utilizados
en el diseño experimental del presente trabajo.
Figura 11. Factores y variables estadísticas que intervienen en el proceso de obtención
de cemento asfáltico.
Y1
PROCESO Materia prima
Velocidad de agitación (rpm)
Tiempo de agitación (min)
Flujo volumétrico de materias primas
X1 X2 Xk
Características de calidad Valor de viscosidad, cP.
Valor de pH
Y2
Yk
Z1 Z2 Zk
Ruido
Variables ambientales
Otras variables del proceso
24
a) Variables independientes (Factores experimentales):
Concentración de emulsión asfáltica (solvente) en relación a la mayor carga (soluto).
Tipo de fibra mineral en el cemento asfáltico.
b) Variables dependientes
Valor de viscosidad, pH y contenido de sólidos del cemento asfáltico.
2.2.1.1. Diseño aplicado: Tipo factorial 25.
Utilización del modelo con replicación mediante software SPSS.
Con este diseño se estudia el efecto de dos factores considerando cinco niveles en
cada uno y tres réplicas. Cada replica de este diseño consiste 52 = 25
combinaciones o tratamientos que se pueden denotar de diferente manera, como
se muestra en la Tabla 8.
Tabla 8. Relación de variables dependiente e independiente en el proceso de
formulación del cemento asfáltico.
Tipo de Fibra
Relación E.A/M.C
Lana de roca
Fibra de vidrio
Nylon reciclado
Arbocel Amianto
5% A11 A12 A13 A14 A15
10% A21 A22 A23 A24 A25
15% A31 A32 A33 A34 A35
20% A41 A42 A43 A44 A45
25% A51 A52 A53 A54 A55
El modelo estadístico en este diseño es:
𝑦𝑖𝑗𝑘 = 𝜇 + 𝛼𝑖 + 𝛽𝑗 + (𝛼 ∗ 𝛽)𝑖𝑗 + 𝜇𝑖𝑗𝑘 ; 𝑖 = 1,2, … , 𝑎 ; 𝑗 = 1,2, … , 𝑏 ; 𝑘 = 1,2, … , 𝑟 (12)
Donde,
𝑦𝑖𝑗𝑘 = representa el valor de la variable dependiente de la muestra de cemento
asfáltico al que se le aplicó un porcentaje de concentración i a un tipo de fibra j.
µ = efecto constante, común a todos los niveles de los factores, denominado media
global.
25
𝛼𝑖 = efecto medio producido por el porcentaje de concentración i, (∑ 𝜏𝑖 = 0)𝑖 .
𝛽𝑗 = efecto medio producido por el tipo de fibra j, (∑ 𝛽𝑗 = 0)𝑗 .
(𝜏 ∗ 𝛽)𝑖𝑗 = efecto medio producido por la interacción entre el porcentaje de
concentración i y el tipo de fibra j, (∑ (𝜏 ∗ 𝛽)𝑖𝑗 =𝑖 ∑ (𝜏 ∗ 𝛽)𝑖𝑗 =𝑗 0).
𝜇𝑖𝑗𝑘 = variables independientes con distribución N (0, σ).
Todas las representaciones anteriores del modelo son equivalentes. La estimación
mínimo-cuadrática de 𝜇𝑖𝑗 es única, por lo tanto, la media de las respuestas en la celda
(ij), esto es: �̂�𝑖𝑗 = �̅�𝑖𝑗.
La estimación de la constante µ (llamada en el SPSS, “intersección”) y de los efectos no
es única, siendo necesario imponer restricciones. Los efectos se computan respecto al
promedio global µ, para lo cual las restricciones son: ∑ �̂�𝑖 =𝑖 ∑ �̂�𝑗 =𝑗 ∑ ∑ (�̂� ∗ �̂�)𝑖𝑗 = 0𝑗𝑖 .
Por lo tanto, se trabaja con los siguientes estimadores:
�̂� = �̅�.
�̂�𝑖𝑗 = �̂�𝑖𝑗 − �̂� = �̅�𝑖𝑗 − �̅�…, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑖. 𝑗.
�̂�𝑖 = �̅�𝑖… − �̅�…, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑖.
�̂�𝑗 = �̅�𝑗… − �̅�…, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑗.
(�̂� ∗ �̂�)𝑖,𝑗
= �̂�𝑖𝑗 + �̂�𝑖 + �̂�𝑗 = �̅�𝑖𝑗 − �̅�… − (�̅�𝑖… − �̅�…) = �̅�𝑖𝑗 − �̅�𝑖… − �̅�𝑗 + �̅�…, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑖, 𝑗.
En el software SPSS se plantea el mismo modelo, pero los efectos se computan con las
restricciones: �̂�𝐼 = �̂�𝐽 = (�̂� ∗ �̂�)𝐼,𝑗
= (�̂� ∗ �̂�)𝑖,𝐽
= 0, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑖, 𝑗, siendo I y J los últimos
códigos de los niveles de cada factor tratamiento. En este caso la última condición
experimental es: Tipo de fibra: amianto (I = 5) y relación de concentración al 25 % (J =
5), por lo tanto, las restricciones son:
�̂�5 = �̂�5 = (�̂� ∗ �̂�)5,1
= ⋯ = (�̂� ∗ �̂�)5,5
= (�̂� ∗ �̂�)1,5
= ⋯ = (�̂� ∗ �̂�)5,5
= 0 (13)
Con este criterio tanto los estimadores de los efectos como su interpretación como
difieren de los obtenidos con el primer criterio. Los efectos en el SPSS se estiman
como sigue:
�̂� = 𝛾𝐼𝐽̅̅ ̅̅
�̂�𝑖𝑗 = �̂�𝑖𝑗 − �̂�𝐼𝐽 = �̅�𝑖𝑗 − �̅�…, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑖. 𝑗.
�̂�𝑖 = �̅�𝑖… − �̅�𝐼 , 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑖.
�̂�𝑗 = �̅�𝑗… − �̅�𝐽, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑗.
26
(�̂� ∗ �̂�)𝑖,𝑗
= �̂�𝑖𝑗 + �̂�𝐼 + �̂�𝐽 = �̅�𝑖𝑗 − �̅�𝐼𝐽 − (�̅�𝑖… − �̅�𝐼) = �̅�𝑖𝑗 − �̅�𝑖… − �̅�𝑗 + �̅�…, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑖, 𝑗.
Con este criterio para los efectos es sencillo escribir el modelo matemático utilizando
variables “dummy”, como sigue:
𝛾𝑖,𝑗,𝑘 = 𝜇𝐼𝐽 + ∑ 𝛼𝑖𝑋𝑖 + ∑ 𝛽𝑗𝑍𝑗 + ∑ ∑(𝛼 ∗ 𝛽)𝑖,𝑗 ∗ 𝑋𝑖 ∗ 𝑍𝑗 + 𝜇𝑖,𝑗,𝑘
𝐽−1
𝑗=1
(14)
𝐼−1
𝑖=1
𝐽−1
𝑗=1
𝐼−1
𝑖=1
siendo Xi la variable que toma el valor 1 cuando la respuesta tuvo lugar en el nivel i del
primer factor tratamiento y 0 en otro caso, y Zj la variable que toma el valor 1 si la
respuesta se tomó en el nivel j del segundo factor tratamiento y 0 en otro caso.
2.2.2. Validación de las propiedades mecánicas del cemento asfáltico. - Analizada
la interacción que existe entre las variaciones de tipo de fibra y la relación de
concentración entre el soluto y el solvente y aceptadas las propiedades fisicoquímicas
del cemento asfáltico, se procede a validar sus propiedades mecánicas.
Se optó por encontrar un producto o productos similares dentro de Imptek – Chova del
Ecuador S.A. con la finalidad de incorporar al instructivo de la empresa, la realización
de ensayos para validar las propiedades de imprimación, impermeabilización y
adhesividad.
Se utilizó como referente al producto Alumband, el cual es una lámina
impermeabilizante, para cuya evaluación se usaron los procedimientos que constan en
el Anexo E.
2.3. Obtención del nuevo cemento asfáltico C.A.1.
Después del proceso de reformulación, se obtiene un nuevo cemento asfáltico
mejorado. Es necesario demostrar que el nuevo producto cumple las propiedades de la
formulación inicial y las exigencias que demanda el mercado.
2.3.1. Validación de las aplicaciones industriales. - Se han realizado las siguientes
pruebas:
Estanqueidad. - Se sigue el procedimiento mencionado en la parte de validación
de propiedades del cemento asfáltico C.A. cuyo proceso experimental se detalla
en el Anexo E.
27
Imprimación. - Procedimiento visual cuyo objetivo es verificar que el producto
cubra las superficies porosas, al obtener relaciones 1:1, 1:2, 1:3 y 1:4 de cemento
asfáltico y agua.
Impermeabilización. - Se toma como referencia al producto Alumband, como se
menciona en el numeral 2.2.2 y cuyo procedimiento se detalla en el Anexo E.
Analizando los resultados obtenidos en los numerales 2.2.2 y 2.3.1 respectivamente, se
observa que tanto como la mezcla de cemento asfáltico actual (C.A.) y el nuevo cemento
asfáltico (C.A.1.) no pasan la prueba de impermeabilización tal como se observa en el
Anexo G.
Se realizó un análisis de propiedades de cada materia prima empleada.
2.3.2. Verificación de propiedades de materias primas en el proceso de obtención
de C.A. y C.A.1.- En la Tabla 9 se puede observar las propiedades de materias primas
influyentes en el proceso de producción del cemento asfáltico, se evidencia que, la
resina acrílica estirenada 445 posee poca relevancia en las propiedades de aplicación
(impermeabilización, imprimación y adhesividad) que debe cumplir el cemento asfáltico,
respecto a las otras materias primas.
Tabla 9. Propiedades de materias primas del C.A. y C.A.1.
PRODUCTO PROPIEDADES
Resina acrílica estirenada 445
Elevada resistencia a la abrasión. Excelente durabilidad. Excelente resistencia alcalina. Alto contenido de pigmentos. Excelente resistencia a la acumulación de polvos. Selladores con excelente adhesión.
Solución de alcohol polivinílico al 20 %
Alta viscosidad (>80000 cP.). No tóxico. Se emplea en la fabricación de pegantes para parquet y
madera. Se utiliza en la elaboración de pegas de uso escolar.
Polivinil acetato 114
Excelente resistencia a la tensión debido a su elevado peso molecular.
Destacable compatibilidad con cargas, tensoactivos, plastificantes.
Muy buena estabilidad mecánica. Baja tendencia a la formación de espuma. Buena formación de película a bajas temperaturas. Bajo contenido de monómero libre. Fácil limpieza con agua.
NOTA: Los datos obtenidos fueron extraídos de las fichas técnicas de los proveedores:
POLIQUIM y PINTURAS CÓNDOR.
28
De los productos fabricados por Imptek – Chova del Ecuador del Ecuador S.A, existe un
producto que posee propiedades de impermeabilización, el Imptek – Acryl. Analizando
sus materias primas se considera como buen sustituto de la resina acrílica estirenada
445 a la resina acrílica estirenada 562, cuyas propiedades se observan en la Tabla 10.
Tabla 10. Propiedades de la resina acrílica estirenada 562
PRODUCTO PROPIEDADES
Resina acrílica
estirenada 562
Es usada en la formulación de revestimientos elastoméricos de alta calidad expuestos a la intemperie.
Excelente resistencia alcalina. Excelente adhesión bajo condiciones de inmersión. Alcanza rápidamente la resistencia al agua después de su
aplicación, logra y mantiene sus propiedades deseables bajo condiciones de secado extremas.
NOTA: Los datos obtenidos fueron extraídos de las fichas técnicas de los proveedores
de cada una de las resinas.
Como se ha cambiado la resina acrílica estirenada (cuya composición aporta un 7,47 %
del peso total del cemento asfáltico) se requiere una nueva determinación de las
propiedades fisicoquímicas y verificar el cumplimiento de la propiedad de
impermeabilizar al utilizar la nueva resina.
Se procede a realizar el procedimiento detallado en el Anexo E para determinar la
impermeabilización, cuyos resultados se detallan en el Anexo G, de los cuales se
concluye que se logra mejorar en gran medida esta propiedad en el nuevo cemento
asfáltico C.A.1.
2.3.3. Tiempo de secado del nuevo cemento asfáltico. - Se ha realizado un estudio
que permita disminuir el tiempo de secado del cemento asfáltico cuando es aplicado a
la intemperie.
Como se mencionó con anterioridad, al cemento asfáltico se lo puede categorizar como
una pintura, por lo tanto, se puede tomar como referencia este compuesto para analizar
la disminución del tiempo de secado del producto.
Se realizaron ensayos utilizando aditivos: texanol y octoato de cobalto, los dos son
coalescentes cuya función es acelerar el proceso de formación de película.
2.4. Caracterización reológica de las muestras de cemento asfáltico C.A. y C.A.1.
Se realizaron estudios reológicos que permitirán clasificar al cemento asfáltico como un
fluido: viscoso, elástico o viscoelástico. Esta categorización ayudará para analizar el
29
comportamiento del cemento asfáltico y delimitar sus usos, su almacenamiento entre
otras propiedades importantes.
Los equipos, materiales, sustancias y el procedimiento a seguir en la caracterización
reológica son:
2.4.1. Equipos y Materiales
Reómetro HR – 2 (Norleq).
Cilindros concéntricos. Diámetro: 30,4 mm Base: 28 mm
Vaso de precipitación. V = 200 mL Ap ± 2 mL
2.4.2. Sustancias y Reactivos
Cemento asfáltico (C.A.1). Líquido
Mineral turpentine (diluyente de hidrocarburos). Líquido
2.4.3. Procedimiento
a) Se pesa 22 mL de cemento asfáltico.
b) Se acopla la geometría experimental con base en la viscosidad de la mezcla de
cemento asfáltico.
c) Establecer un espacio entre el cilindro y la base del reómetro de 6000 µm.
d) Realizar los ensayos de reversibilidad, flujo constante y tixotropía para evaluar y
determinar las características mecánicas constantes a una temperatura de 25 °C y
presión ambiente.
e) Realizar los ensayos de barrido de amplitud y frecuencia para evaluar y determinar
las características mecánicas dinámicas a una temperatura de 25 °C y presión
ambiente.
f) Repetir los pasos anteriores para las temperaturas de 40 °C, 60 °C y 90 °C.
g) Realizar el ensayo de barrido de temperatura para señalar el comportamiento de la
viscosidad del cemento asfáltico para las temperaturas: 25 °C, 40 °C, 60 °C y 90
°C.
h) Repetir el mismo procedimiento para una muestra de cemento asfáltico obtenida de
la planta de producción de Imptek – Chova del Ecuador S.A.
i) Realizar la comparación entre los dos procedimientos.
30
2.4.4. Características mecánicas en el análisis reológico
2.4.4.1. Análisis de reversibilidad. - Se realizan pruebas step-up a una velocidad de
cizallamiento de referencia (1 s-1), para determinar el límite de reversibilidad cuando se
aplica una velocidad de cizallamiento creciente. El protocolo reológico se muestra en la
Figura 12.
Figura 12. Representación esquemática del análisis de reversibilidad. [17]
La tensión de corte alcanza el valor de equilibrio a las coordenadas τe (esfuerzo cortante)
y σe (velocidad de cizalla) en la velocidad de cizallamiento de referencia. Esto ocurre
previo al cizallamiento. A continuación, el material es forzado a un mayor esfuerzo
cortante y, después de eso, regresa nuevamente a la velocidad de cizallamiento de
referencia.
2.4.4.2. Análisis de flujo constante. - La curva de flujo constante fue diseñada a
partir de la más alta cizalla que la muestra puede soportar, es decir, el valor obtenido en
el ensayo de reversibilidad (100 s-1). Después que la velocidad de cizallamiento cambia
de 0,001 a 100 s-1, es interpretado como una rampa simple.
Figura 13. Protocolo del ensayo para analizar el flujo constante en la muestra de
cemento asfáltico (C.A.). [18]
31
2.4.4.3. Análisis de tixotropía. - La prueba inicia con el proceso previo al
cizallamiento, es decir el valor máximo de cizalla que la muestra puede soportar (100 s-
1). Para ello se diseñó un ciclo de histéresis con la finalidad de determinar la tixotropía,
que consiste en la aplicación de rampas de corte sucesivas (up-down y down-up) a la
muestra. Dos rampas se han limitado entre la tasa de última cizalla y el valor (1 s-1).
Figura 14: Protocolo del análisis de tixotropía, evaluado en un intervalo de tiempo. [19]
2.4.5. Características dinámicas en el análisis reológico. - El objetivo del análisis
mecánico dinámico es obtener información sobre las propiedades viscoelásticas del
material y determinar este comportamiento de flujo en cortos y largos periodos de
tiempo. Con esta información, las aplicaciones del cemento asfáltico podían ser
definidas.
2.4.5.1. Análisis de módulo de pérdida y almacenamiento. - La necesidad de
vibración del material para evitar la segregación, se evalúa a través de la frecuencia del
módulo de pérdida y almacenamiento. Por lo tanto, el barrido de amplitud permite
determinar la región en la cual el material presentará un comportamiento de visco
elasticidad lineal. La evolución de la frecuencia en este ensayo se ilustra en la Figura
15.
Figura 15. Representación esquemática del proceso de barrido de amplitud. [20]
32
Como primer paso, un barrido de amplitud con frecuencia fija (0,1 Hz) fue aplicado a la
muestra de cemento asfáltico para determinar la región de visco elasticidad lineal.
Después de cierto valor crítico de amplitud (10 % para C.A.) predomina el dominio del
componente viscoso sobre el componente elástico (transición gel – sol).
Figura 16. Representación esquemática del proceso de barrido de frecuencia. [21]
Una vez que la región viscoelástica lineal ha sido determinada, un barrido de frecuencia
es aplicado a la muestra manteniendo constante la amplitud de deformación. La
evolución del barrido de frecuencia se ilustra en la Figura 16; este análisis permite
determinar el comportamiento del material tanto a cortos (alta frecuencia) y largos (baja
frecuencia) intervalos de tiempo. En el caso del C.A, la amplitud de deformación fue
fijada al 1 % y la frecuencia se varió entre 0,15 y 11 Hz. En las condiciones de reposo
es posible simular un valor de deformación bajo.
2.4.5.2. Análisis de temperatura. - El comportamiento del material bajo diferentes
condiciones de temperatura es una variable importante para ser analizada. Para realizar
esta prueba, se diseñó una rampa de temperatura simple, misma que debe estar en
orden de los intervalos de temperatura para homogenizar la mezcla. Es importante que
se haya realizado primero el proceso previo al cizallamiento a 100 s-1. Los límites para
el experimento han sido establecidos entre 25 °C y 90 °C.
33
Figura 17. Representación esquemática del proceso de barrido de temperatura aplicado
a una muestra de cemento asfáltico. [22]
2.5. Diseño de un tanque mezclador
Con los resultados obtenidos en la experimentación en el laboratorio se procede a
realizar el diseño del tanque mezclador que debería utilizarse en el proceso industrial
con la finalidad de optimizar las variables del mismo.
2.5.1. Balance de materia. - Se realiza un proceso físico (mezcla) en el cual no existe
reacción química ni acumulación de masa.
Considerando que las viscosidades pueden variar dentro el tanque, para el diseño se
plantea emplear un agitador tipo turbina con 6 palas.
Una vez obtenido el diseño a escala de laboratorio se lo proyectará a escala industrial
con los datos de producción que requiere la empresa y se seguirá el esquema de la
Figura 18.
34
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
Figura 18. Diagrama de flujo del proceso para la obtención de cemento asfáltico, desde
la preparación de emulsión asfáltica.
Mezclador 2
Asfhier 211 + HCl
Asfalto Mezclador 1
Agua
Emulsión
asfáltica
Agua
Caolín
Resinas: 445, Sln de
alcohol polivinílico, 114
Aditivos: Fibras
minerales, Microbicida,
Texanol,
CEMENTO
ASFÁLTICO
35
3. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS
3.1. Producción de emulsión asfáltica y cemento asfáltico
3.1.1. Emulsión asfáltica
Tabla 11. Formulación de emulsión asfáltica Css – 1h (Considerando B.C. = 3000 g).
Componente Porcentaje, [%] Carga, [g]
Asfalto 62,00 1240,00
Agua 36,40 728,00
Aceite 0,48 9,60
Asfhier 1,00 20,00
HCl* 0,11 2,20
Total 100,00 1999,80
*La formulación del HCl varía acorde con la variación de pH obtenido en la solución jabonosa,
mismo que debe estar en un rango de: 1,7 – 2,4
En la Tabla 12 se presentan los resultados de los ensayos fisicoquímicos de emulsión
asfáltica preparada en el laboratorio con la formulación actual que se utiliza en la
empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A.
Tabla 12. Resultados de los ensayos fisicoquímicos para emulsión asfáltica
Norma Características Unidad Especificación Resultado CUMPLE/NO CUMPLE
INEN 901 Residuo por destilación. % 57,00 64,00 61,12 CUMPLE
INEN 904 Mezcla con cemento. % 0,00 2,00 1,00 CUMPLE
INEN 908 Carga de partículas. - Catiónica Catiónica CUMPLE
INEN 909 Asentamiento 5 días. % 0,00 5,00 1,58 CUMPLE
INEN 910 Estabilidad de almac. 24 h. % 0,00 1,00 0,50 CUMPLE
INEN 917 Penetración en el residuo. 1/10
mm 40,00 90,00 55,00 CUMPLE
INEN 906 Prueba del tamiz # 20. % 0,00 0,10 0,09 CUMPLE
INEN 1981 Viscosidad Saybolt Furol. SSF 20,00 100,00 28,51 CUMPLE
3.1.2. Cemento asfáltico C.A.- En la Tabla 13 se presenta la formulación actual (sin
ninguna modificación) para obtener cemento asfáltico en el laboratorio.
36
Tabla 13. Formulación del cemento asfáltico C.A. (Se considera una B.C = 3000 g)
MATERIAL Porcentaje, [%] Carga, [g]
Emulsión catiónica css - 1h. 17,97 539,25
Microbicida. 0,20 6,13
Poli vinil acetato 114. 48,44 1453,17
Solución alcohol polivinílico 20 %.
9,34 280,13
Caolín. 14,59 437,70
Resina acrílica estirenada 445. 7,47 224,10
Fibras minerales. 0,82 24,51
Agua de pozo. 1,17 35,02
Total 100,00 3000,00
En la Tabla 14 se presenta los resultados de los ensayos fisicoquímicos de la muestra
de cemento asfáltico obtenida en el laboratorio con la formulación que actualmente se
utiliza en las instalaciones de la Empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A.
Tabla 14. Resultados del cemento asfáltico obtenido en el laboratorio
NORMA Característica ESPECIFICACIÓN
Resultado Cumple/
No cumple Mínimo Máximo
NI - 10,04 Densidad relativa, [g/mL]
0,95 1,05 0,98 cumple
INEN – 1024 Contenido de sólidos, [%]
50,00 55,00 51,45 Cumple
INEN – 1024 Contenido de agua, [%] 45,00 50,00 48,55 Cumple
104-281 - 5,13
Tiempo de secado No aplica Secado
completo Cumple
INEN – 910 Asentamiento 24 hrs No aplica No asienta Cumple
NI - 10,09 Valor pH 3,00 6,00 4,90 Cumple
INEN – 1013 Viscosidad, [cP.] 100000,00 ------ 114000,00 Cumple
NI - 10,018 Dispersión No aplica Sin grumos Cumple
3.2. Proceso de reformulación del cemento asfáltico
3.2.1. Cálculos
3.2.1.1. Variación de la composición de la base solvente con relación a la base
soluto. - Se considera como base soluto a la aglomeración de materias primas que en
su composición son sólidas o pastosas y cuya influencia dentro de la formulación sea
37
de un valor considerable. En la formulación actual se puede observar que estos
componentes son: solución de alcohol poli vinílico al 20 %, polivinil acetato 114, resina
acrílica estirenada 445 y caolín, y como base solvente está la emulsión asfáltica.
Considerando la formulación actual, se ha determinado la relación entre soluto y
solvente como se describe en las ecuaciones (15) y (16), respectivamente.
𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜=
17.97
79.84= 0,225 (𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙) (15)
𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 = 0,225 ∗ 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 (16)
3.2.1.2. Balance de los porcentajes de solvente. - A la relación original entre soluto
y solvente se variará entre 5 % y 25 %, manteniendo constante la cantidad de solvente.
𝑅𝑖𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 = [(𝑟𝑖 ∗ 𝑝𝑖) + 𝑟𝑖] ∗ 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 (17)
Dónde:
Ri, representa la nueva concentración en % de emulsión asfáltica.
ri, representa la relación entre soluto y solvente de la formulación actual.
Pi, representa los porcentajes de variación de la relación ri.
𝑅1𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 = [(0,225 ∗ 0,05) + 0,225] ∗ 76,24 = 18,87
Una vez encontrada la relación entre el soluto y el solvente se pueden variar los
porcentajes máximos que permite la norma INEN 2062 (PRODUCTOS DERIVADOS
DEL PETRÓLEO. EMULSIONES ASFÁLTICAS CATIÓNICAS. REQUISITOS), que se
encuentran resumidos en la Tabla 15, donde se indica el porcentaje de emulsión en
cada relación estudiada.
Tabla 15: Relación aumento de concentraciones según los porcentajes designados
Componentes R1, [5 %] R2, [10 %] R3, [15 %] R4, [20 %] R5, [25 %]
Base solvente 18,87 19,77 20,67 21,57 22,47
Soluto 76,24 76,24 76,24 76,24 76,24
Relación 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29
Total sin aditivos 95,11 96,01 96,91 97,81 98,71
3.2.1.3. Relación entre componentes que forman la base soluto. - En la base
soluto que es el aglomerado de cuatro sustancias, éstas deben ser modificadas en
proporciones iguales para no alterar la viscosidad del producto como resultado del
38
aumento en la parte solvente, lo mismo que se ha cuantificado mediante la Ecuación
(18):
𝑆𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = 𝐴𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑣𝑖𝑛í𝑙𝑖𝑐𝑜 + 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑣𝑖𝑛𝑖𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 114 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎 𝑎𝑐𝑟í𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 445 +
𝑐𝑎𝑜𝑙í𝑛 (18)
Cada materia prima que forma parte del soluto se le denomina “x”, y se determina la
relación entre x y el porcentaje de emulsión “y” cuyo resultado se expresará como “r”.
𝑟𝑖 =𝑥𝑖
𝑦𝑖 (19)
Para el caso de la solución de alcohol polivinílico al 20 % se tiene:
𝑟𝑖 =𝑥𝑖
𝑦𝑖=
9,34
17,98= 0,52
El valor de la relación ri permanecerá constante y con los nuevos porcentajes de
emulsión asfáltica se determinará el porcentaje de cada materia prima para la nueva
formulación (Tabla 16).
Con dichos resultados se obtiene la variación que tendrán las materias primas con las
nuevas razones de variación en el porcentaje de emulsión asfáltica tal como se indica
en la Tabla 17, donde la composición es solo la de la base soluto.
Tabla 16. Nuevos porcentajes de las materias primas que forman parte del soluto
Componentes Porcentaje,
[%]
Relación con
emulsión
R1, 5 % R2, 10 % R3,15 % R4, 20 % R5, 25 %
Alcohol polivinílico 9,34 0,52 9,81 10,27 10,74 11,21 11,68
Polivinil acetato 114 48,44 2,69 50,86 53,28 55,71 58,13 60,55
Resina acrílica estirenada 445
7,47 0,42 7,84 8,22 8,59 8,96 9,34
Caolín 14,59 0,81 15,32 16,05 16,78 17,51 18,24
Total 79,84 4,44 83,83 87,82 91,82 95,81 99,80
39
Tabla 17. Porcentajes de materias primas que forman parte del soluto
Componentes Porcentaje,
[%] R1, 5 % R2, 10 % R3,15 % R4, 20 % R5, 25 %
Alcohol polivinílico 9,34 9,34 9,34 9,34 9,34 9,34
Polivinil acetato 114 48,44 43,89 42,99 42,09 41,19 40,29
Resina acrílica estirenada 445
7,47 7,47 7,47 7,47 7,47 7,47
Caolín 14,59 18,24 18,24 18,24 18,24 18,24
Total 79,84 78,94 78,04 77,14 76,24 75,34
Los valores marcados con color rojo (Tabla 17) son aquellos que se modifican dentro de
la formulación junto con la emulsión asfáltica (porcentajes Ri), se mantiene constante el
resto de materias primas influyentes debido a que una modificación en su composición
puede ocasionar alteraciones en las propiedades de adhesividad del cemento asfáltico.
En la Tabla 18 se indican los valores de la formulación parcial que se obtiene al realizar
las primeras variaciones en la composición incluyendo todas las materias primas (soluto,
solvente y aditivos).
Tabla 18. Formulación parcial del cemento asfáltico C.A.
FORMULACIÓN
COMPONENTES 5 % Carga,
[g] 10 %
Carga, [g]
15 % Carga,
[g] 20 %
Carga, [g]
25 % Carga,
[g]
Emulsión Catiónica Css-1h
18,87 471,85 19,77 494,25 20,67 516,78 21,57 539,25 22,47 561,75
Microbicida 0,20 5,00 0,20 5,00 0,20 5,00 0,20 5,00 0,20 5,00
Polivinil acetato 114
43,89 1097,25 42,99 1074,75 42,09 1052,25 41,19 1029,75 40,29 1007,25
Sln de alcohol polivinílico 20 %
9,34 233,50 9,34 233,50 9,34 233,50 9,34 233,50 9,34 233,50
Caolín 18,24 456,00 18,24 456,00 18,24 456,00 18,24 456,00 18,24 456,00
Resina acrílica estirenada 445
7,47 186,75 7,47 186,75 7,47 186,75 7,47 186,75 7,47 186,75
Fibras minerales 0,82 20,50 0,82 20,50 0,82 20,50 0,82 20,50 0,82 20,50
Agua 1,17 29,25 1,17 29,25 1,17 29,25 1,17 29,25 1,17 29,25
Aditivo 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Total 100,00 2500,10 100,00 2500,00 100,00 2500,03 100,00 2500,00 100,00 2500,00
Los valores en rojo de la Tabla 18 indican como varían los porcentajes acorde va
cambiando la composición de emulsión asfáltica, mientras que los valores en azul
indican los porcentajes que no deben variar para no afectar a las propiedades finales
del cemento asfáltico.
Se realizó una primera serie de ensayos fisicoquímicos, variando el tipo de fibra y la
concentración, cuyos resultados se presentan en la Tabla 19.
40
Tabla 19. Resultados de ensayos físicos y químicos de la formulación preliminar
Muestra Tipo de fibra Porcentaje
CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA Cumple/ No
cumple Densidad
[g/cm3] Viscosidad,
[cP] Contenido de sólidos, [%]
pH
A11 Lana de roca 5 % 1,11 195250,00 46,21 6,54 No cumple
A21 Lana de roca 10 % 1,00 102700,00 51,66 4,08 Cumple
A31 Lana de roca 15 % 1,09 137050,00 50,71 4,76 No cumple
A41 Lana de roca 20 % 1,09 173150,00 51,34 6,01 No cumple
A51 Lana de roca 25 % 1,08 158700,00 54,17 4,08 No cumple
A12 Fibra de vidrio 5 % 1,01 158075,00 54,88 3,71 Cumple
A22 Fibra de vidrio 10 % 0,98 164150,00 55,09 4,70 No cumple
A32 Fibra de vidrio 15 % 1,05 159600,00 50,92 4,81 No cumple
A42 Fibra de vidrio 20 % 1,01 158750,00 50,85 5,19 Cumple
A52 Fibra de vidrio 25 % 1,03 158750,00 52,95 4,83 Cumple
A13 Arbocel 5 % 1,14 199000,00 46,44 5,19 No cumple
A23 Arbocel 10 % 1,06 134050,00 52,27 6,48 No cumple
A33 Arbocel 15 % 1,12 168150,00 51,63 6,64 No cumple
A43 Arbocel 20 % 1,22 246775,00 50,41 7,02 No cumple
A53 Arbocel 25 % 0,95 100338,00 46,02 6,97 No cumple
A14 Nylon reciclado 5 % 1,09 345500,00 52,29 5,32 No cumple
A24 Nylon reciclado 10 % 1,09 197900,00 52,05 6,36 No cumple
A34 Nylon reciclado 15 % 1,01 140150,00 51,65 6,21 No cumple
A44 Nylon reciclado 20 % 1,09 243000,00 51,62 6,91 No cumple
A54 Nylon reciclado 25 % 1,05 128375,00 48,86 6,77 No cumple
A15 Amianto 5% 0,95 329500,00 51,69 5,11 No cumple
A25 Amianto 10% 1,01 172850,00 53,00 4,7 Cumple
A35 Amianto 15% 0,98 266475,00 51,91 5,36 Cumple
A45 Amianto 20% 0,98 316650,00 48,58 4,91 Cumple
A55 Amianto 25% 0,95 194825,00 44,99 6,09 No cumple
De las 25 muestras presentadas en la Tabla 19 únicamente 7 muestras pasan todos los
ensayos de la caracterización fisicoquímica, mismas que serán utilizadas para realizar
los ensayos de caracterización mecánica y comprobación de aplicaciones.
3.2.2. Validez estadística del proceso de formulación
Modelo con replicación. - Se realizó el análisis estadístico mediante el programa IBM
SPSS Statistics 22, considerando diferentes variables de respuesta (pH, densidad
relativa, viscosidad, contenido de sólidos), se presenta el modelo completo para la
variable de respuesta: pH, mientras que para el resto de variables se presenta
únicamente los resultados obtenidos.
Factor 1: Tipo de fibra, j. Número de niveles = 5.
Factor 2: Porcentaje en la variación de concentración, i. Número de niveles = 5.
Número de tratamientos: a x b = 52 = 25.
Número de observaciones, n = a x b x r = 5*5*3 = 75.
41
En un modelo de dos factores, los efectos de interés son tres: los dos efectos principales
(uno por cada factor) y el efecto entre la interacción de ambos factores.
En este el ANOVA es de efectos fijos, puesto que, los niveles de los factores fueron
definidos por el investigador, por lo tanto, las muestras e inferencias se refieren
exclusivamente a los niveles supuestos para este estudio y no a otros que podrían ser
incluidos.
En el ANOVA de dos factores se estudia simultáneamente los efectos sobre cada factor
y sobre las posibles interacciones entre factores. La hipótesis que se pone a prueba es
demostrar si las medias poblacionales (las medias de la variable dependiente “V.D.” en
cada nivel de la variable independiente “V.I.”) son iguales. Si las medias poblacionales
son iguales, eso significa que los grupos no difieren en la V.D y que, en consecuencia,
la V.I. o factor es independiente de la V.D, se acepta la hipótesis nula, caso contrario,
se rechaza.
Para aplicar el modelo de efectos fijos se ha planteado los siguientes supuestos previos:
La variable dependiente debe medirse al menos a nivel de intervalo.
Independencia de las observaciones.
La distribución de los residuales debe ser normal.
Homogeneidad de las varianzas.
Se plantea de esta manera el análisis para las cuatro variables dependientes objeto de
estudio.
3.2.2.1. pH.
a) Normalidad. – La variable dependiente se distribuye normalmente en las J (grupos
o niveles del factor) poblaciones muestreadas.
Figura 19. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = pH.
42
b) Homocedasticidad. – Se habla de homocedasticidad cuando el error cometido por
el modelo tiene siempre la misma varianza. Es una propiedad característica del
modelo de regresión lineal general.
A causa de la igualdad en tamaño de las muestras escogidas como objeto de análisis
se deduce que los niveles de significación de las pruebas de hipótesis y los niveles de
confianza de los intervalos no se ven afectados por la existencia de heterocedasticidad.
c) Análisis de Varianza para el pH.
Tabla 20. Tabla resumen del ANOVA para la variable pH
Pruebas de efectos inter-sujetos para el pH
Origen Tipo III de suma de cuadrados
gl* Cuadrático promedio
F Sig.
Modelo corregido 56,82a 24,00 2,370 3826,75 0,00
Interceptación 2410,03 1,00 2410,030 3895528,50 0,00
Tipo de fibra 29,04 4,00 7,260 11735,04 0,00
Concentración 8,99 4,00 2,250 3632,87 0,00
Tipo de fibra * concentración
18,79 16,00 1,170 1898,14 0,00
Error 0,03 50,00 0,001
Total 2466,88 75,00
Total corregido 56,85 74,00 a. R al cuadrado = 0,999 (R al cuadrado ajustada = 0,999)
*gl = grados de libertad *Sig. = “p”
Con la finalidad de equilibrar los riesgos de error (tipo I y tipo II), basándose en las
consecuencias prácticas y específicas de este estudio, se estable un valor del nivel de
significancia (α = 0,05) el cual indica un riesgo del 5 % de concluir que existe una
diferencia, cuando no hay una diferencia real.
El nivel crítico asociado al estadístico F (p = 0,00 < 0,05) del modelo corregido (efecto
de los 2 factores, el de la intersección y el de la constante o interacción) observado en
la Tabla 20, indica gran parte de la variación observada en la variable dependiente (pH),
se ve limitada por los efectos del modelo.
El valor R2 = 0,999 indica que los tres efectos incluidos en el módulo (relación de
concentración, tipo de fibra y relación de concentración * tipo de fibra) están explicando
el 99,9 % de la varianza de la variable dependiente (pH).
Al ser el valor de la significancia menor al 0,05 (p. = 0,00 < 0,05) se rechaza la hipótesis
nula y se acepta la hipótesis alternativa, es decir, se concluye que existe una relación
43
de dependencia entre las variables y en este caso se dice que los distintos niveles del
factor si influyen sobre los valores de la variable pH.
Cuando existe diferencias significativas entre los tratamientos es conveniente investigar
las medias que son distintas. El Test HSD (Honestly-significant-difference) de Tukey es
un test de comparaciones múltiples, el cual permite comparar las medias de los J niveles
de un factor después de haber rechazado la hipótesis nula de igualdad de medias
mediante la técnica ANOVA.
Equivale a utilizar el método de Student – Newman – Keuls con r = J = número de
medias. Por tanto, todas las comparaciones son referidas a una misma diferencia
mínima.
d) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre el pH y el tipo de
fibra.
Tabla 21. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D. = pH (tipo de fibra)
(I) Tipo de
fibra
(J) Tipo de fibra
Diferencia de medias
(I-J) Error Sig.
Intervalo de confianza al 95%
Límite inferior
Límite superior
Amianto
Arbocel -1,23* 0,009 0,00 -1,25 -1,20
Fibra de vidrio 0,39* 0,009 0,00 0,36 0,41
Lana de roca -0,25* 0,009 0,00 -0,28 -0,23
Nylon reciclado -1,08* 0,009 0,00 -1,11 -1,05
Arbocel
Amianto 1,23* 0,009 0,00 1,20 1,25
Fibra de vidrio 1,61* 0,009 0,00 1,59 1,64
Lana de roca 0,97* 0,009 0,00 0,95 0,99
Nylon reciclado 0,15* 0,009 0,00 0,12 0,17
Fibra de vidrio
Amianto -0,39* 0,009 0,00 -0,41 -0,36
Arbocel -1,61* 0,009 0,00 -1,64 -1,59
Lana de roca -0,64* 0,009 0,00 -0,66 -0,61
Nylon reciclado -1,46* 0,009 0,00 -1,49 -1,44
Lana de roca
Amianto 0,25* 0,009 0,00 0,23 0,28
Arbocel -0,97* 0,009 0,00 -0,99 -0,95
Fibra de vidrio 0,64* 0,009 0,00 0,61 0,66
Nylon reciclado -0,83* 0,009 0,00 -0,85 -0,80
Nylon reciclado
Amianto 1,08* 0,009 0,00 1,05 1,11
Arbocel -0,15* 0,009 0,00 -0,17 -0,12
Fibra de vidrio 1,46* 0,009 0,00 1,44 1,49
Lana de roca 0,83* 0,009 0,00 0,80 0,85
*La diferencia de medias es significativa en el nivel 0,05.
En la Tabla 21 aparecen todas las posibles combinaciones dos a dos entre los niveles
o categorías del factor (tipo de fibra), las diferencias entre los valores de pH medios de
cada dos grupos, el error típico de esas diferencias y el nivel crítico asociado a cada
diferencia.
44
Los límites del intervalo de confianza permiten estimar entre que límites se encuentra la
verdadera diferencia entre las medias de los grupos, por lo tanto, permiten interpretar si
dos promedios difieren o no significativamente (dependiendo de que el intervalo incluya
o no el valor cero).
Tabla 22. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para la variable
dependiente: pH (tipo de fibra).
Tipo de fibra N Subconjunto
1 2 3 4 5
Fibra de vidrio 15,00 4,85
Amianto 15,00 5,23
Lana de roca 15,00 5,49
Nylon reciclado
15,00 6,31
Arbocel 15,00 6,46
Sig. 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 a. Utiliza el tamaño de la muestra de la media armónica = 15,00.
b. Alfa = 0,05
Los valores marcados en rojo representan a las medias de pH que más se aproximan al
valor recomendable (pH = 0,05).
e) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre el pH y
concentración.
Tabla 23. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D. = pH (concentración)
(I) Concentración
(J) Concentración
Diferencia de medias (I - J)
Error Estándar
Sig.
Intervalos de confianza al 95%
Límite Inferior
Límite Superior
5%
10 % -0,29* 0,009 0,00 -0,32 -0,27
15 % -0,74* 0,009 0,00 -0,77 -0,72
20 % -0,87* 0,009 0,00 -0,9 -0,85
25 % -0,11* 0,009 0,00 -0,14 -0,09
10%
5 % 0,29* 0,009 0,00 -0,27 0,32
15 % -0,45* 0,009 0,00 -0,48 -0,43
20 % -0,58* 0,009 0,00 -0,61 -0,56
25 % 0,18* 0,009 0,00 0,16 0,21
15%
5 % 0,74* 0,009 0,00 -0,72 0,77
10 % 0,45* 0,009 0,00 0,43 0,48
20 % -0,13* 0,009 0,00 -0,16 -0,11
25 % 0,63* 0,009 0,00 0,61 0,66
20%
5 % 0,88* 0,009 0,00 0,85 0,90
10 % 0,58* 0,009 0,00 0,56 0,61
15 % 0,13* 0,009 0,00 0,11 0,16
25 % 0,76* 0,009 0,00 0,74 0,79
45
(Continuación Tabla 23)
(I) Concentración
(J) Concentración
Diferencia de medias (I - J)
Error Estándar
Sig.
Intervalos de confianza al 95%
Límite Inferior
Límite Superior
25%
5 % 0,11* 0,009 0,00 0,09 0,14
10 % -0,18* 0,009 0,00 -0,21 -0,16
15 % -0,63* 0,009 0,00 -0,66 -0,61
20 % -0,76* 0,009 0,00 -0,79 -0,74
*La diferencia de medias es significativa en el nivel 0,05.
Tabla 24. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA de la variable
dependiente: pH (concentración)
Concentración
N Subconjunto
1 2 3 4 5
5 % 15,00 5,26
20 % 15,00 5,38
10 % 15,00 5,56
15 % 15,00 6,00
25 % 15,00 6,14
Sig. 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 a. Utiliza el tamaño de la muestra de la media armónica = 15,00.
b. Alfa = 0,05
Los valores marcados en rojo en la Tabla 24 representan las relaciones de
concentración, cuya media se aproxima al valor de pH recomendable (pH = 5,00).
Figura 20. Comparación de medias marginales estimadas para la V.D = pH.
46
En el gráfico de la Figura 20 aparecen representadas las medias de pH calculadas en
cada subgrupo resultante de combinar cada nivel del factor 1“tipo de fibra” con cada
nivel del factor 2 “relación de concentración”.
El estudio realizado para el valor de pH como variable dependiente, se realiza para el
resto de las variables dependientes: viscosidad (Tablas desde la 25 a la 29), densidad
(Tabla 30 hasta la 34) y contenido de sólidos (Tabla 35 hasta la 39).
3.2.2.2. VISCOSIDAD.
a) Normalidad
Figura 21. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = viscosidad.
b) Homocedasticidad. – Se deduce igualdad de varianzas por que las muestras
presentan tamaños similares, por ende, los niveles de significación de las pruebas
de hipótesis y los niveles de confianza de los intervalos no se ven afectados por la
existencia de heterocedasticidad.
c) Análisis de varianza para la viscosidad.
Tabla 25. Tabla resumen del ANOVA para la variable viscosidad
Pruebas de efectos inter-sujetos para la viscosidad
Origen Tipo III de suma de
cuadrados gl
Cuadrático promedio
F Sig.
Modelo corregido 308344,92a 24,00 12847,70 35,39 0,00
Interceptación 2581139,73 1,00 2581139,76 7110,
60 0,00
Tipo de fibra 110234,79 4,00 27558,70 75,92 0,00
Concentración 97422,47 4,00 24355,61 67,09 0,00
47
Continuación Tabla 25)
Origen Tipo III de suma de
cuadrados gl
Cuadrático promedio
F Sig.
Tipo de fibra * Concentración
100687,64 16,00 6292,97 17,33 0,00
Error 18149,92 50,00 362,99
Total 2907634,61 75,00
Total corregido 326494,84 74,00
a. R al cuadrado = 0,944 (R al cuadrado ajustada = 0,918)
Se rechaza la hipótesis nula al observar que p = 0,00 < 0,05, por lo tanto, se aplica la
prueba de Tukey para determinar la diferencia de medias.
d) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre la viscosidad y el
tipo de fibra.
Tabla 26. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D. = viscosidad (tipo
de fibra)
(I) Tipo de
fibra
(J) Tipo de fibra
Diferencia de medias (I-J)
Error estándar
Sig.
Intervalo de confianza al 95%
Límite inferior
Límite superior
Amianto
Arbocel 83,47* 6,96 0,00 63,78 103,15
Fibra de vidrio 99,71* 6,96 0,00 80,03 119,40
Lana de roca 93,97* 6,96 0,00 74,28 113,65
Nylon reciclado 37,42* 6,96 0,00 17,73 57,11
Arbocel
Amianto -83,47* 6,96 0,00 -103,15 -63,78
Fibra de vidrio 16,25 6,96 0,15 -3,44 35,93
Lana de roca 10,50 6,96 0,56 -9,19 30,19
Nylon reciclado -46,05* 6,96 0,00 -65,73 -26,36
Fibra de vidrio
Amianto -99,71* 6,96 0,00 -119,40 -80,03
Arbocel -16,25 6,96 0,15 -35,93 3,44
Lana de roca -5,75 6,96 0,92 -25,43 13,94
Nylon reciclado -62,29* 6,96 0,00 -81,98 -42,61
Lana de roca
Amianto -93,97* 6,96 0,00 -113,65 -74,28
Arbocel -10,50 6,96 0,56 -30,19 9,19
Fibra de vidrio 5,75 6,96 0,92 -13,94 25,43
Nylon reciclado -56,55* 6,96 0,00 -76,23 -36,86
Nylon reciclado
Amianto -37,42* 6,96 0,00 -57,11 -17,73
Arbocel 46,05* 6,96 0,00 26,36 65,73
Fibra de vidrio 62,29* 6,96 0,00 42,61 81,98
Lana de roca 56,55* 6,96 0,00 36,86 76,23
*La diferencia de medias es significativa en el nivel 0,05.
48
Tabla 27. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para viscosidad
(tipo de fibra)
Tipo de fibra N Subconjunto
1 2 3
Fibra de vidrio 15,00 148,71
Lana de roca 15,00 154,46
Arbocel 15,00 164,96
Nylon reciclado 15,00 211,01
Amianto 15,00 248,43
Sig. 0,15 1,00 1,00 a. Utiliza el tamaño de la muestra de la media armónica = 15,00.
b. Alfa = 0,05
En la Tabla 27 se distingue que los valores de viscosidad para el caso de la fibra de
vidrio, la lana de roca y el arbocel no difieren significativamente en sus medias,
obteniendo un valor de significancia igual a 0,15.
e) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre la viscosidad y
concentración.
Tabla 28. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D = viscosidad
(concentración)
(I) Concentración
(J) Concentración
Diferencia de medias (I-J)
Error estándar
Sig.
Intervalo de confianza al 95%
Límite inferior
Límite superior
5%
10% 88,22* 6,96 0,00 68,53 107,91
15% 71,26* 6,96 0,00 51,57 90,95
20% 30,71* 6,96 0,01 11,03 50,40
25% 94,11* 6,96 0,00 74,42 113,79
10%
5% -88,22* 6,96 0,00 -107,91 -68,53
15% -16,96 6,96 0,12 -36,65 2,73
20% -57,51* 6,96 0,00 -77,19 -37,82
25% 5,89 6,96 0,92 -13,80 25,57
15%
5% -71,26* 6,96 0,00 -90,95 -51,57
10% 16,96 6,96 0,12 -2,73 36,65
20% -40,55* 6,96 0,00 -60,23 -20,86
25% 22,85* 6,96 0,02 3,16 42,53
20%
5% -30,71* 6,96 0,00 -50,40 -11,03
10% 57,51* 6,96 0,00 37,82 77,19
15% 40,55* 6,96 0,00 20,86 60,23
25% 63,39* 6,96 0,00 43,71 83,08
25%
5% -94,11* 6,96 0,00 -113,79 -74,42
10% -5,89 6,96 0,92 -25,57 13,80
15% -22,85* 6,96 0,02 -42,53 -3,16
20% -63,39* 6,96 0,00 -83,08 -43,71
*La diferencia de medias es significativa en el nivel 0,05.
49
Tabla 29. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA (concentración)
Concentració
n N
Subconjunto
1 2 3 4
20 % 15,00 148,27
10 % 15,00 154,15
15 % 15,00 171,11
25 % 15,00 211,66
5 % 15,00 242,37
Sig. 0,92 0,12 1,00 1,00 a. Utiliza el tamaño de la muestra de la media armónica = 15,00.
b. Alfa = 0,05
Figura 22. Comparación de medias marginales estimadas para la V.D = viscosidad
3.2.2.3. DENSIDAD RELATIVA
a) Normalidad
Figura 23. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = densidad relativa
50
b) Homocedasticidad. - Se deduce igualdad de varianzas por que las muestras
presentan tamaños similares, por ende, los niveles de significación de las pruebas
de hipótesis y los niveles de confianza de los intervalos no se ven afectados por la
existencia de heterocedasticidad.
c) Análisis de varianza para la densidad relativa
Tabla 30. Tabla resumen del ANOVA para la variable: densidad relativa
Origen Tipo III de suma de cuadrados
gl Cuadrático promedio
F Sig.
Modelo corregido
0,36a 24,00 0,020 1588,25 0,00
Interceptación 78,68 1,00 78,680 8430446,2
9 0,00
Tipo de fibra 0,19 4,00 0,050 5123,42 0,00
Concentración 0,04 4,00 0,010 961,64 0,00
Tipo de fibra * Concentración
0,13 16,00 0,010 861,11 0,00
Error 0,00 50,00 0,009
Total 79,04 75,00
Total corregido
0,36 74,00
a. R2 = 0,999 (R2 ajustada = 0,998)
b. *gl = grados de libertad.
Se rechaza la hipótesis nula, al observar que p = 0,00 < 0,05. Se procede con las
pruebas de Tukey para identificar que medias difieren significativamente.
d) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre la densidad relativa
y el tipo de fibra.
51
Tabla 31. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D. = densidad relativa (tipo
de fibra)
(I)Tipo de fibra (J)Tipo de fibra Diferencia de medias (I-J)
Error Sig.
Intervalo de confianza 95%
Límite inferior
Límite superior
Amianto
Arbocel -0,12* 0,001 0,00 -0,13 -0,12
Fibra de vidrio -0,04* 0,001 0,00 -0,04 -0,03
Lana de Roca 0,00 0,001 0,98 -0,00 0,00
Nylon Reciclado
-0,09* 0,001 0,00 -0,10 -0,09
Arbocel
Amianto 0,12* 0,001 0,00 0,12 0,13
Fibra de vidrio 0,08* 0,001 0,00 0,08 0,09
Lana de Roca 0,13* 0,001 0,00 0,12 0,13
Nylon Reciclado
0,03* 0,001 0,00 0,03 0,03
Fibra de vidrio
Amianto 0,04* 0,001 0,00 0,03 0,04
Arbocel -0,08* 0,001 0,00 -0,09 -0,08
Lana de Roca 0,04* 0,001 0,00 0,03 0,04
Nylon Reciclado
-0,06* 0,001 0,00 -0,06 -0,05
Lana de Roca
Amianto -0,00 0,001 0,98 -0,00 0,00
Arbocel -0,13* 0,001 0,00 -0,13 -0,12
Fibra de vidrio -0,04* 0,001 0,00 -0,04 -0,03
Nylon Reciclado
-0,09* 0,001 0,00 -0,10 -0,09
Nylon Reciclado
Amianto 0,09* 0,001 0,00 0,09 0,10
Arbocel -0,03* 0,001 0,00 -0,03 -0,03
Fibra de vidrio 0,06* 0,001 0,00 0,05 0,06
Lana de Roca 0,0947* 0,001 0,00 0,09 0,10 El término de error es la media cuadrática(Error) = 9,33E-006.
La diferencia de medias es significativa al nivel 0,05
Tabla 32. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para densidad
relativa (tipo de fibra)
Tipo de fibra N Subconjunto
1 2 3 4
Lana de roca 15,00 0,97
Amianto 15,00 0,97
Fibra de vidrio 15,00 1,01
Nylon reciclado 15,00 1,07
Arbocel 15,00 1,10
Sig. 0,98 1,00 1,00 1,00
a. Usa el tamaño muestral de la media armónica = 15,00.
b. Alfa = 0,05.
52
El valor marcado en rojo indica que la fibra de vidrio, presenta un valor de densidad
relativa cercano al recomendable (densidad relativa ≈ 1,00 g/cm3), para el cemento
asfáltico.
e) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre la densidad
relativa y concentración.
Tabla 33. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D = densidad relativa
(concentración)
(I) Concentración
(J) Concentración
Diferencia de medias (I-J)
Error Sig.
Intervalo de confianza 95%
Límite inferior
Límite superior
5 %
10 % -0,01* 0,001 0,00 -0,01 -0,01
15 % -0,01* 0,001 0,00 -0,01 -0,01
20 % -0,04* 0,001 0,00 -0,04 -0,03
25 % 0,03* 0,001 0,00 0,03 0,03
10 %
5 % 0,01* 0,001 0,00 0,01 0,01
15 % 0,00 0,001 0,39 -0,00 0,01
20 % -0,03* 0,001 0,00 -0,03 -0,02
25 % 0,04* 0,001 0,00 0,04 0,05
15 %
5 % 0,01* 0,001 0,00 0,01 0,01
10 % -0,00 0,001 0,39 -0,01 0,00
20 % -0,03* 0,001 0,00 -0,03 -0,02
25 % 0,04* 0,001 0,00 0,04 0,04
20 %
5 % 0,04* 0,001 0,00 0,03 0,04
10 % 0,03* 0,001 0,00 0,02 0,03
15 % 0,03* 0,001 0,00 0,02 0,03
25 % 0,07* 0,001 0,00 0,06 0,07
25 %
5 % -0,03* 0,001 0,00 -0,03 -0,03
10 % -0,04* 0,001 0,00 -0,04 -0,04
15 % -0,04* 0,001 0,00 -0,04 -0,04
20 % -0,07* 0,001 0,00 -0,07 -0,06 *La diferencia de medias es significativa al nivel 0,05.
Tabla 34. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para la densidad
relativa (concentración)
Concentración N Subconjunto
1 2 3 4
20 % 15,00 0,99
5 % 15,00 1,02
15 % 15,00 1,03
10 % 15,00 1,03
25 % 15,00 1,06
Sig. 1,00 1,00 0,39 1,00
a. Usa el tamaño muestral de la media armónica = 15,00. b. Alfa = 0,05.
53
Figura 24: Comparación de medias marginales estimadas para la V.D = densidad
relativa
3.2.2.4. CONTENIDO DE SÓLIDOS
a) Normalidad
Figura 25. Regresión del residuo estandarizado para la V.D = contenido de sólidos.
54
b) Homocedasticidad. - Se deduce igualdad de varianzas por que las muestras
presentan tamaños similares, por ende, los niveles de significación de las pruebas
de hipótesis y los niveles de confianza de los intervalos no se ven afectados por la
existencia de heterocedasticidad.
c) Análisis de varianza para el contenido de sólidos.
Tabla 35. Tabla resumen del ANOVA para la variable: contenido de sólidos
Origen Suma de
cuadrados tipo III gl
Media cuadrática
F Sig.
Modelo corregido 520,75a 24,00 21,70 25,72 0,00
Intersección 194691,67 1,00 194691,67 230814,4
4 0,00
Tipo de fibra 106,21 4,00 26,55 31,48 0,00
Concentración 99,94 4,00 24,99 29,62 0,00
Tipo de fibra * Concentración
314,60 16,00 19,66 23,31 0,00
Error 42,18 50,00 0,84
Total 195254,59 75,00
Total corregida 562,93 74,00 a. R2 = 0,93 (R2 corregida = 0,89) *gl = grados de libertad
d) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre el contenido de
sólidos y el tipo de fibra.
Tabla 36. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D. = contenido de sólidos
(tipo de fibra).
(I) Tipo de fibra
(J) Tipo de fibra
Diferencia de medias (I-
J) Error Sig.
Intervalo de confianza 95%
Límite inferior
Límite superior
Amianto
Arbocel 1,25* 0,34 0,00 0,31 2,20
Fibra de vidrio -0,25 0,34 0,94 -1,21 0,69
Lana de Roca -2,41* 0,34 0,00 -3,36 -1,46
Nylon Reciclado
-0,77 0,34 0,17 -1,71 0,18
Arbocel
Amianto -1,25* 0,34 0,00 -2,20 -0,31
Fibra de vidrio -1,51* 0,34 0,00 -2,46 -0,56
Lana de Roca -3,66* 0,34 0,00 -4,61 -2,71
Nylon Reciclado
-2,02* 0,34 0,00 -2,97 -1,07
Fibra de vidrio
Amianto 0,26 0,34 0,94 -0,69 1,21
Arbocel 1,51* 0,34 0,00 0,56 2,46
Lana de Roca -2,157* 0,34 0,00 -3,10 -1,20
Nylon Reciclado
-0,51 0,34 0,55 -1,46 0,44
55
(Continuación Tabla 36)
(I) Tipo de fibra
(J) Tipo de fibra
Diferencia de medias (I-J)
Error Sig.
Intervalo de confianza 95%
Límite inferior
Límite superior
Lana de Roca
Amianto 2,41* 0,34 0,00 1,46 3,36
Arbocel 3,66* 0,34 0,00 2,71 4,66
Fibra de vidrio 2,15* 0,34 0,00 1,20 3,10
Nylon Reciclado
1,64* 0,34 0,00 0,69 2,59
Nylon Reciclado
Amianto 0,77 0,34 0,17 -0,18 1,72
Arbocel 2,07* 0,34 0,00 1,07 2,97
Fibra de vidrio 0,51 0,34 0,55 -0,44 1,46
Lana de Roca -1,64* 0,34 0,00 -2,59 -0,69 *La diferencia de medias es significativa al nivel 0,05.
Tabla 37. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para el contenido
de sólidos (tipo de fibra)
Tipo de fibra N Subconjunto
1 2 3
Lana de roca 15,00 48,26
Amianto 15,00 50,51
Fibra de vidrio 15,00 50,77
Nylon reciclado 15,00 51,28
Arbocel 15,00 52,92
Sig. 1,00 0,17 1,00
a. Usa el tamaño muestral de la media armónica = 15,00.
b. Alfa = 0,05.
e) Test de Tukey para analizar la relación de interacción entre la densidad
relativa y concentración.
Tabla 38. Comparación de medias – Test de Tukey para la V.D = contenido de sólidos
(concentración).
(I) Concentración
(J) Concentración
Diferencia de medias (I-J)
Error Sig.
Intervalo de confianza 95%
Límite inferior
Límite superior
5 %
10 % -2,70* 0,34 0,00 -3,64 -1,75
15 % -1,27* 0,34 0,00 -2,22 -0,33
20 % -1,04* 0,34 0,03 -1,99 -0,09
25 % 0,67 0,34 0,28 -0,27 1,62
10 %
5 % 2,70* 0,34 0,00 1,74 3,642
15 % 1,42* 0,34 0,00 0,47 2,37
20 % 1,66* 0,34 0,00 0,71 2,61
25 % 3,37* 0,34 0,00 2,42 4,32
56
(Continuación Tabla 38)
(I) Concentración
(J) Concentración
Diferencia de medias (I-J)
Error Sig.
Intervalo de confianza 95%
Límite inferior
Límite superior
15 %
5 % 1,27* 0,34 0,00 0,33 2,22
10 % -1,42* 0,34 0,00 -2,37 -0,47
20 % 0,23 0,34 0,96 -0,72 1,18
25 % 1,94* 0,34 0,00 1,00 2,90
20 %
5 % 1,04* 0,34 0,03 0,09 1,99
10 % -1,66* 0,34 0,00 -2,61 -0,71
15 % -0,23 0,34 0,96 -1,18 0,72
25 % 1,71* 0,34 0,00 0,76 2,66
25 %
5 % -0,67 0,34 0,28 -1,62 0,28
10 % -3,37* 0,34 0,00 -4,32 -2,42
15 % -1,95* 0,34 0,00 -2,89 -0,99
20 % -1,71* 0,34 0,00 -2,66 -0,76
*La diferencia de medias es significativa al nivel 0,05.
Tabla 39. Tabla de subgrupos homogéneos del procedimiento ANOVA para el contenido
de sólidos (concentración)
Concentración N Subconjunto
1 2 3
20 % 15,00 49,41
5 % 15,00 50,08
15 % 15,00 51,12
10 % 15,00 51,36
25 % 15,00 52,78
Sig. 0,28 0,96 1,00
a. Usa el tamaño muestral de la media armónica = 15,00.
b. Alfa = 0,05.
Figura 26. Comparación de medias marginales estimadas para la V.D = contenido de
sólidos
57
Del análisis estadístico presentado, todas las variables cuantitativas a excepción de la
viscosidad presentan como mejor opción para sustituir al amianto, a la fibra de vidrio y
la mejor relación de concentración para el aumento de composición de emulsión
asfáltica es al 20 % sin que se afecten las propiedades de aplicación del cemento
asfáltico.
3.2.3. Validación de las propiedades mecánicas del cemento asfáltico
Para realizar los ensayos de validación de propiedades mecánicas para la muestra de
cemento asfáltico C.A, se consideran las muestras que hayan pasado los ensayos
fisicoquímicos.
Tabla 40. Ensayos mecánicos de una muestra de cemento asfáltico C.A.
MUESTRA Tipo de
Fibra Porcentaje,
[%]
ADHESIVIDAD E IMPRIMACIÓN, [N/m2] IMPERMEABILIZACIÓN
MDF - MDF
MDF – TECHO
MDF-IPARKING
Espesor, [mm]
θsecado, [hr]
Porcentaje de Humedad, [%]
A21 Lana de roca 10,00 667,50 595,19 293,70 0,81 34,00 42,75
A12 Fibra de Vidrio
5,00 667,50 91,30 115,80 0,87 24,00 46,35
A42 Fibra de Vidrio
20,00 667,50 260,49 582,95 0,95 23,00 37,50
A52 Fibra de Vidrio
25,00 667,50 245,86 579,61 0,80 24h15 40,17
A25 Amianto 10,00 604,09 114,59 179,11 0,65 35h20 39,05
A35 Amianto 15,00 650,81 106,80 215,83 0,77 37,00 49,89
A45 Amianto 20,00 636,35 114,59 198,03 0,85 37,00 51,72
Valor Mayor:
667,50 595,19 582,95 0,95 37,00 51,72
Valor Menor:
604,09 91,30 115,80 0,65 23,00 37,5
Valor Promedio: 651,72 218.40 309,29 0,81 30H15 43,92
En la Tabla 40 se presenta los valores de propiedades de impermeabilización y
adhesividad y al no existir un instructivo interno de la empresa sobre este tipo de
propiedades, se escogerá a la muestra que mejores propiedades presente y se acerque
al comportamiento que debe presentar el cemento asfáltico.
Las muestras A42 y A52 son las mejores representaciones acorde con los resultados
arrojados por los ensayos de la Tabla 40. Haciendo un alcance a los resultados
obtenidos en el análisis estadístico la mejor muestra sería la A52 que utiliza fibra de vidrio
y un aumento al 20 % de emulsión asfáltica.
58
3.3. Obtención del nuevo cemento asfáltico C.A.1.
En la Tabla 41 se presenta la formulación del nuevo cemento asfáltico, una vez que se
han realizado todas las pruebas para verificación de sus propiedades y aplicaciones.
Con la formulación final se realiza la corrida de ensayos mecánicos del nuevo cemento
asfáltico, los resultados a estos ensayos se presentan en la Tabla 42.
Tabla 41. Formulación parcial del cemento asfáltico C.A.1.
Componentes Peso, [%]
Emulsión catiónica css - 1h 21,57
Microbicida 0,20
Polivinil acetato 114 41,19
Solución alcohol polivinílico 20% 9,34
Caolín 18,24
Resina acrílica estirenada 445 7,47
Fibras minerales 0,82
Agua de pozo 1,17
Aditivo 0,00
TOTAL 100,00
Tabla 42. Ensayos mecánicos del nuevo cemento asfáltico C.A.1
Característica
Especificación Norma de Ensayo
Parámetro medido
Cumple / No cumple Mínim
o Máxim
o
Estanqueidad N/A EN-1928 No pasa No cumple
Resistencia a la tracción, [N/5cm]
200,00 --- EN -12311 436,10 Cumple
Resistencia térmica, [mm] 0,00 5,00 104.281-
3.6 1,00 Cumple
Adhesividad, [N/5cm] 145,00 --- NI - 10.030 667,50 Cumple
Imprimación No Aplica --- Imprima Cumple
NOTA: El ensayo mecánico para determinar la veracidad en el cumplimiento de las
aplicaciones industriales del cemento asfáltico se aplica únicamente a la muestra que
se considera como mejor alternativa para sustituir a la formulación actual.
De los resultados obtenidos hasta el momento, se puede observar que tanto la muestra
de cemento asfáltico C.A. y el nuevo cemento asfáltico C.A.1. no cumplen la propiedad
de impermeabilización, para lo cual se determinan los ensayos utilizando una nueva
resina acrílica estirenada.
59
3.3.1. Ensayos del C.A.1. utilizando resina acrílica estirenada 562.- En las Tablas
43, 44, y 45 se presentan los resultados de las pruebas realizadas a la muestra del
cemento asfáltico C.A.1. utilizando una nueva resina acrílica estirenada.
Tabla 43. Especificaciones fisicoquímicas utilizando una nueva resina acrílica
estirenada
CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO
CARACTERÍSTICA PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PRUEBA 4 Promedio
Viscosidad, [cP.] 114800,00 117200,00 125200,00 139200,00 124100,00
Densidad Relativa, [g/cm3] 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 Peso por Galón 3,62 3,62 3,62 3,62 3,62 Contenido de Sólidos, [%] 48,24 45,68 46,67 49,40 47,50 Contenido de Humedad, [%] 51,76 54,32 53,33 50,60 52,50 pH 4,66 4,67 4,67 4,67 4,67
Tabla 44. Características mecánicas utilizando la nueva resina acrílica estirenada en la
formulación.
CARACTERÍSTICAS DE MEJORA DEL PRODUCTO
CARACTERÍSTICAS PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PRUEBA 4 Promedio
Resistencia a la Tracción, [N/m2]
427,20 422,75 396,05 378,25 406,06
Alargamiento a la Ruptura, [%] 35,00 42,00 51,00 38,00 41,50
Espesor de F. Película, [in] 0,0389 0,0388 0,0385 0,0389 0,04
Tiempo de secado, [hr] 17H45 17H45 17H45 17H45 17H45
Tabla 45. Prueba de adhesividad de cemento asfáltico utilizando la nueva resina acrílica
estirenada en la formulación.
PRUEBA DE ADHESIVIDAD
SUSTRATO PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PRUEBA 4 PROMEDIO
MDF – MDF *667,50 *667,50 *667,50 *667,50 *667,50
MDF – IMPTEKPARKING 547,35 565,15 600,75 600,12 578,34
MDF - TECHOFIELT 1500 204,7 235,5 333,75 209,15 245,86
NOTA: *Indica el valor máximo que alcanza el dinamómetro, sin embargo, los sustratos
no se separan.
En la Tabla 46 se muestra la comparación de propiedades entre la muestra que utiliza
una resina acrílica estirenada 445 y la 562.
60
Tabla 46. Comparación de propiedades entre resinas acrílicas estirenadas
CARACTERÍSTICA Resina Acrílica Estirenada 445
Resina Acrílica Estirenada 562
Viscosidad, [cP.] 158750,00 124100,00
Densidad relativa, [g/cm3] 1,01 0,96
Peso por galón, [gr] 3,83 3,62
Contenido de sólidos, [%] 50,85 47,50
Contenido de humedad, [%] 49,15 52,50
pH 5,19 4,67
Tiempo de secado, [hr] 23,00 18,00
Resistencia a la tracción, [N/m2]
436,10 406,06
Alargamiento a la ruptura, [%] 40,510 41,50
ADHESIVIDAD
MDF – MDF 667,50* 667,50*
MDF – Imptekparking 582,95 578,34
MDF - Techofielt 1500 260,19 245,86
3.3.2. Tiempo de secado del cemento asfáltico C.A.1.- Como se mencionó en el
numeral 2.3.2, para disminuir el tiempo de secado se utilizaron aditivos los cuales se
adicionaron a la formulación final del cemento asfáltico.
Tabla 47. Formulación utilizando un aditivo para acelerar el tiempo de secado
Componentes Composición
[% P/P] Aditivo 1 Aditivo 2 Aditivo 3 Aditivo 4 Aditivo 5
Emulsión catiónica css - 1h 21,57 21,57 21,57 21,57 21,57 21,57
Microbicida 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20
Poli vinil acetato 114 41,19 41,09 40,99 40,89 40,79 40,69
Solución alcohol polivinílico 20%
9,34 9,34 9,34 9,34 9,34 9,34
Caolín 18,24 18,24 18,24 18,24 18,24 18,24
Resina acrílica estirenada 445
7,47 7,47 7,47 7,47 7,47 7,47
Fibras minerales 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82
Agua de pozo 1,17 1,17 1,17 1,17 1,17 1,17
Aditivo 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50
TOTAL 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00
NOTA: Para añadir un aditivo en la formulación sin que se altere sus propiedades, se
disminuyó de manera proporcional el porcentaje del poli vinil acetato 114, al ser la
materia prima con mayor concentración dentro de la formulación.
61
Al utilizar estos aditivos dentro de la formulación del cemento asfáltico, se considera un
porcentaje máximo de utilización de hasta 0,5 % del porcentaje total en peso del
compuesto.
Tabla 48. Especificaciones físico-químicas de cemento asfáltico utilizando Texanol
CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO USANDO TEXANOL
CARÁCTERÍSTICA ADITIVO 1 ADITIVO 2 ADITIVO 3 ADITIVO 4 ADITIVO 5
Viscosidad, [cP.] 115475,00 209500,00 127100,00 172100,00 198100,00
Densidad relativa, [g/cm3] 0,95 1,03 1,04 1,03 0,98
Peso por galón, [g] 3,60 3,89 3,94 3,88 3,71
Contenido de sólidos, [%] 54,88 49,73 46,71 50,70 54,88
Contenido de humedad, [%] 45,12 50,27 53,29 49,30 45,12
pH 5,00 4,35 4,86 4,96 4,80
Tiempo de secado, [hr] 16h35 7h06 6h40 5h15 4h35
NOTA: Utilizando un aditivo con la concentración al 0,5% del porcentaje total del
cemento asfáltico se logra reducir en gran medida el tiempo de secado, sin embargo,
los aditivos 3, 4 y 5 hacen que el producto se vuelva más rígido y quebradizo lo que no
es conveniente para sus aplicaciones, por esta razón se utilizará la concentración al
0,2% (aditivo 2)
La prueba que mejores resultados proporcionó fue aquella que utiliza el aditivo 2,
aunque la muestra con la que se reduce en mayor proporción el tiempo de secado es
con el aditivo 5, sin embargo, este porcentaje genera que el cemento asfáltico se torne
rígido y quebradizo.
Para no alterar la formulación final al adicionar un aditivo a la composición del cemento
asfáltico, la cantidad que se adicione de aditivo será compensada con una reducción en
peso del porcentaje utilizado de poli vinil acetato 114.
Para evaluar el tiempo en el que se seca el cemento asfáltico en el laboratorio se prepara
una superficie de aproximadamente 1 m2 de polietileno siliconado para evitar que el
producto se adhiera a la superficie, se deja en las condiciones del laboratorio, T = 23,1
°C y humedad relativa (H.R.) = 32 % hasta que se seque completamente.
El mismo procedimiento se utiliza cuando se agrega un aditivo coalescente secativo,
con la diferencia de que se utilizó fibrocemento de 20 cm x 20 cm, como superficie de
contacto.
62
Tabla 49. Especificaciones fisicoquímicas utilizando octoato de cobalto
CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO USANDO OCTOATO DE COBALTO
CARÁCTERÍSTICA ADITIVO 1 ADITIVO 2 ADITIVO 3 ADITIVO 4 ADITIVO 5
Viscosidad, [cP.] 185300,00 240900,00 134300,00 204100,00 138100,00
Densidad relativa, [g/cm3] 0,99 0,98 1,00 1,00 1,02
Peso por galón, [g] 3,74 3,69 3,80 3,80 3,85
Contenido de Sólidos, [%] 50,13 50,13 51,87 50,00 46,92
Contenido de Humedad, [%] 49,87 49,87 37,09 50,00 53,08
pH 4,95 5,01 4,94 5,06 5,08
Tiempo de secado, [hr] 21H05 20H15 18H35 12H25 8H20
Utilizando el octoato de cobalto se obtiene un mejor resultado con los valores marcados
en amarillo, obteniendo 12 horas en el proceso de secado, aunque el aditivo 5 obtiene
8 horas, con esta concentración el cemento asfáltico se torna rígido.
Tabla 50. Comparación de resultados entre los dos aditivos.
COMPARACIÓN DE PROPIEDADES ENTRE ADITIVOS
CARACTERÍSTICA TEXANOL OCTOATO
Viscosidad, [cP.] 209500,00 204100,00
Densidad relativa, [g/cm3] 1,03 1,00
Peso por galón, [g] 3,89 3,80
Contenido de sólidos, [%] 49,73 50,00
Contenido de humedad, [%] 50,27 50,00
pH 4,35 5,06
Tiempo de secado, [hr] 7h06 12h25
NOTA: Para la comparación de especificaciones, únicamente fueron consideradas las
muestras que presentaron un tiempo de secado considerable, para el caso de Texanol
la muestra que utiliza 0,2% P/P del peso total de la formulación y para el caso del
Octoato de Cobalto la muestra que utiliza el 0,4% P/P.
Las muestras que mejores resultados proporcionaron son: texanol, 0,20 % (Tabla 48) y
octoato de cobalto 0,40 % (Tabla 49) del peso total de la formulación, entre estos dos
compuestos el que mejor se adapta a las características que debe cumplir el cemento
asfáltico es el texanol, pues este reduce aún más el tiempo de secado del cemento
asfáltico sin generar rigidez al compuesto.
Al adicionar un nuevo producto a la formulación, se debe evaluar si dicha modificación
altera a las propiedades finales del cemento asfáltico.
63
Tabla 51. Ensayos fisicoquímicos con la formulación en la que se incluye el Texanol
CARACTERÍSTICAS DEL TEXANOL AL 0,2%
CARÁCTERÍSTICA ESPECIFICACIONES
PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PRUEBA 4 PROMEDIO MÍNIMO MÁXIMO
Viscosidad, [cP.]
100000,00 - 135600,00 194800,00 231600,00 276000,00 209500,00
Densidad relativa, [g/cm3]
0,95 1,05 1,03 1,03 1,03 1,03 1,03
Peso por galón, [g]
3,60 4,00 3,90 3,90 3,90 3,90 3,90
Contenido de sólidos, [%]
45,00 55,00 48,83 52,58 46,91 50,59 49,73
Contenido de humedad, [%]
45,00 55,00 51,17 47,42 53,09 49,41 50,27
Ph 3,00 6,00 4,36 4,35 4,35 4,35 4,35
Tiempo de secado, [hr]
5,00 35,00 7h16 7h16 7h16 7h16 7h16
Como las propiedades fisicoquímicas no se ven afectadas, finalmente se obtiene la
formulación del nuevo cemento asfáltico utilizando un aditivo. Dicha formulación se
presenta en la Tabla 52.
Tabla 52. Formulación final del cemento asfáltico C.A.1.
Componentes Peso, [%]
Emulsión catiónica css - 1h 21,57
Microbicida 0,20
Polivinil acetato 114 40,99
Solución alcohol polivinílico 20 %
9,34
Caolín 18,24
Resina acrílica estirenada 562 7,47
Fibras minerales 0,82
Agua de pozo 1,17
Texanol 0,20
TOTAL 100,00
3.4. Caracterización reológica del cemento asfáltico
Se presentan los resultados de los ensayos realizados a 25 °C como ensayo modelo,
los resultados para las temperaturas de 40, 60 y 90°C se presentan en los Anexos J y
K respectivamente.
64
3.4.1. Características mecánicas
3.4.1.1. Análisis de reversibilidad. - Las curvas de color azul representan un
comportamiento estándar para el ensayo de reversibilidad, la curva de color verde
representa el comportamiento de la muestra de cemento asfáltico analizada misma que
recupera su estructura interior cuando la velocidad de cizallamiento es menos de 100 s-
1, esto es, el doble de la tasa de cizalla normalmente experimentada por el C.A. en el
proceso actual (inferior a 50 s-1).
Figura 27. Resultados del ensayo de reversibilidad para el nuevo cemento asfáltico
3.4.1.2. Análisis de flujo constante. - En este ensayo las curvas deben mantener
un comportamiento lineal, sin embargo, durante el ensayo practicado sobre la muestra
de cemento asfáltico, se observa un comportamiento no lineal, por lo tanto, la relación
entre la tasa de viscosidad y la velocidad de cizallamiento fue ajustada a una escala
logarítmica. El mismo ajuste fue requerido para comparar la tasa de estrés y de la cizalla.
65
Figura 28. Resultados del análisis de flujo constante para la muestra C.A.1.
3.4.1.3. Análisis de tixotropía. - Se han aplicado al material dos velocidades de
cizallamiento, para lo cual, la salida representa el esfuerzo de cizalla instantáneo
correspondiente para cada velocidad. Para el caso en el que las curvas no se
superponen, se infiere una dependencia de tiempo, el área entre ambas curvas de flujo
se considera como una medida del nivel de tixotropía del material.
El significado físico de esta magnitud es la energía por la unidad de tiempo y volumen
necesario para romper la estructura del resto de material. Un valor elevado de esta
magnitud podría ser interpretada como la manifestación de una estructura fuerte y/o más
desarrollada.
Figura 29. Análisis del ciclo de histéresis para la muestra C.A.1
66
3.4.2. Características dinámicas. - El barrido de frecuencia y amplitud proporciona
información para interpretar la necesidad o no de vibración del material y de esta formar
evitar la segregación del material y determinar la región de viscoelasticidad lineal.
3.4.2.1. Análisis de módulo de pérdida y almacenamiento. - En la Figura 34 se
representan tres curvas, el módulo de almacenamiento G’ en verde, módulo de pérdida
en rojo y la región de viscoelasticidad lineal en azul. La región de viscoelasticidad lineal
se extiende a una deformación de aproximadamente 1 %. Por otra parte, el módulo de
almacenamiento es más alto que el módulo de pérdida en esta región lineal.
Figura 30. Resultados del análisis de barrido por amplitud para la muestra de C.A.1.
3.4.2.2. Barrido de frecuencia
Figura 31. Resultados de barrido de frecuencia ω, para la muestra C.A.1
67
En la Figura 31 se puede observar que una vez alcanzado un valor crítico de amplitud
(10 %), el componente viscoso domina sobre el componente elástico. Cuando el valor
de la amplitud de deformación es menor que el valor crítico, el material se mostrará
consistente; mientras que, a mayor deformación el comportamiento de la muestra de
cemento asfáltico se asemeja a un sol de partículas.
En el caso de C.A.1, la amplitud se deformó a 1 % y se varió la frecuencia entre 0,15 y
11 Hz. Con esto las condiciones de reposo de simulación de valores de baja amplitud
son posibles.
3.4.2.3. Análisis de temperatura. - La mezcla mantiene un valor constante de
viscosidad en temperaturas menores a 60 °C, en este punto, un ligero cambio se
evidencia hasta un pico de 74 °C, entonces la viscosidad disminuye en diferentes
valores.
Figura 32: Resultado del ensayo de barrido de temperatura para la muestra C.A.1.
3.5. Diseño del tanque mezclador
3.5.1. Balance de materia para la producción de cemento asfáltico. - Se presenta
un cálculo modelo para el componente asfalto.
Base de Cálculo (B.C.1) = 3000 g de producto
68
Mezclador 1
Corriente de entrada: B.C.2 = 21,57 % * B. C.1 = 647,10 g ≈ 650 g
Tabla 53: Contenido en masa de los componentes que intervienen en la preparación de
emulsión asfáltica.
Componentes Composición en
peso, [%] xi, fracción
másica Masa, [g]
Asfalto 62,04 0,6200 403,26
Agua 36,42 0,3600 236,73
Aceite plastificante 0,48 0,0048 3,12
Asfhier 211 1,00 0,0100 6,50
Ácido clorhídrico 0,05 0,0005 0,33
Total 100,00 1,0000 649,94
𝑚𝑎1 = 𝑥𝑖 ∗ 650 = 0,6204 ∗ 650 = 403,26 𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡𝑜 (25)
Donde:
𝑚𝑎1, es el contenido en gramos del componente i en la emulsión asfáltica.
𝑥𝑖, es la fracción másica del componente i en la emulsión asfáltica.
Tabla 54: Contenido en masa de las fracciones que intervienen en la preparación de
cemento asfáltico C.A.1.
Componentes Composición en peso, [%]
xi, fracción másica
mi, masa [g]
Asfalto 62,04 0,6200 403,26
Agua 36,42 0,3600 236,73
Aceite plastificante
0,48 0,0048 3,12
Asfhier 211 1,00 0,0100 6,50
Ácido clorhídrico 0,05 0,0005 0,33
Total 100,00 1,0000 649,94
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑜𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠) (26)
𝑚𝑎1 + 𝑚𝑎2 + 𝑚𝑎3 + 𝑚𝑎4 + 𝑚𝐻𝐶𝑙 = 𝑚𝑒𝑚𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 (27)
(403,26 + 236,73 + 3,12 + 6,50 + 0,33 )𝑔 = 650 𝑔
Corriente de salida: Emulsión asfáltica = 649,94 g ≈ 650 g
69
Mezclador 2
Corriente de entrada: B.C (1) = 3000 g
Tabla 55. Formulación del cemento asfáltico C.A.1.
Componentes Composición en
peso, [%] xi, fracción
másica mi, masa
[g]
Emulsión asfáltica 21,57 0,220 647,10
Solución de alcohol polivinílico
9,34 0,090 280,20
Polivinil acetato 114
40,99 0,410 1229,70
Caolín 18,24 0,180 547,20
Fibra de vidrio 0,82 0,008 24,60
Resina acrílica estirenada 562
7,47 0,070 224,10
Microbicida 0,20 0,002 6,00
Agua de pozo 1,17 0,010 35,10
Texanol 0,20 0,002 6,00
Producto 100,00 1,000 3000,80
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑜𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠) (28)
𝑚𝑒𝑎 + 𝑚𝑎𝑝 + 𝑚𝑝𝑎 + 𝑚𝑐𝑎 + 𝑚𝑓𝑣 + 𝑚562 + 𝑚𝑚𝑖 + 𝑚𝑎𝑝 + 𝑚𝑡𝑒 = 𝑚𝐶.𝐴 (29)
(647,10 + 280,20 + 1229,70 + 547,20 + 24,60 + 224,10 + 6,00 35,10 + 6,00)𝑔
= 3.001,80 𝑔 (𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐴𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑜)
Corriente de salida: Cemento asfáltico = 3000,00 g
Se considera el proceso a presión y temperatura constantes para la ciudad de Quito,
sector de Sangolquí: P = 546, 44 mm Hg y T = 18°C.
3.5.2. Cálculo del volumen del tanque mezclador
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =𝑚𝑒𝑚𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑎
ρ𝑒𝑚𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑎 (30)
De la Tabla 55, donde se presentan los resultados de las especificaciones fisicoquímicas
de la formulación final se obtiene el valor de la densidad relativa para el cemento
asfáltico, cuyo valor es: ρ = 1,03 g/cm3.
70
Por lo tanto,
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =3000 𝑔
1,03 𝑔
𝑐𝑚3⁄= 2.912,62 𝑐𝑚3 ≅ 3000 𝑐𝑚3 = 3 ∗ 10−3 𝑚3
Según Warren. L Mc Cabe, Julian.C Smith & Petter Harriot, para un diseño estándar de
agitadores con turbinas, se considera: D = h, por lo tanto:
𝑉 =𝜋 ∗ 𝐷2
4∗ ℎ =
𝜋 ∗ 𝐷3
4 (31)
Entonces:
𝐷 = (4 ∗ 𝑉
𝜋)
13⁄
(32)
𝐷 = (4 ∗ 3 ∗ 10−3 𝑚3
𝜋)
13⁄
= 0,16 𝑚 = 15,63 𝑐𝑚 ≅ 16 𝑐𝑚
Considerando que las viscosidades pueden variar dentro el tanque, se empleará un
agitador tipo turbina con 6 palas, por lo tanto, se consideran las siguientes proporciones
básicas [23]:
𝐷𝑎
𝐷𝑡=
1
3
𝐻
𝐷𝑡= 1
𝐽
𝐷𝑡=
1
12
𝐸
𝐷𝑎= 1
𝑊
𝐷𝑎=
1
5
𝐿
𝐷𝑎=
1
4
El tipo de agitador utilizado será entonces el que se indica en la Figura 33.
71
Figura 33: Medidas de un agitador tipo turbina [24]
𝐷𝑎 =𝐷𝑡
3=
15,63
3= 5,21 𝑐𝑚 = 0,05 𝑚 → Diámetro del rodete.
𝐻 = 𝐷𝑡 = 15,63 𝑐𝑚 = 0,16 𝑚 → Altura del tanque.
𝐽 =𝐷𝑡
12=
15,63
12= 1,30 𝑐𝑚 = 0,01 𝑚 → Ancho del deflector.
𝐸 = 𝐷𝑎 = 5,21 𝑐𝑚 = 0,05 𝑚 → Altura de la base al tanque.
𝑊 = 𝐷𝑎
5=
5.21
5= 1,04 𝑐𝑚 = 0,01 𝑚 → Altura del agitador.
𝐿 = 𝐷𝑎
4=
5,21
4= 1,30 𝑐𝑚 = 0,01 𝑚 → Ancho del rodete.
3.5.3. Cálculo de la velocidad de flujo. - La velocidad de flujo creada en un
depósito por un mezclador tipo turbina tiene tres componentes:
a) Componente radial que actúa en dirección perpendicular al eje.
b) Componente longitudinal que actúa en dirección paralela al eje.
c) Componente tangencial que actúa en dirección tangencial al círculo de rotación del
eje.
72
Figura 34: Vectores de velocidad en el extremo de la pala de un rodete tipo turbina [25]
Para el agitador utilizado en el laboratorio se tiene una velocidad de agitación promedio
“n” de 2500 rpm:
𝑛 = 2500𝑟𝑝𝑚 ∗2 ∗ 𝜋 𝑟𝑎𝑑
1 𝑟𝑒𝑣∗
1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠= 262 𝑟𝑎𝑑
𝑠⁄
𝑛 = 261,80𝑟𝑎𝑑
𝑠∗ 90
𝑚
𝑟𝑎𝑑= 23562 𝑚
𝑠⁄
3.5.3.1. Cálculo de la velocidad tangencial del fluido
𝑣𝑢2′ = 𝑘 ∗ 𝑢2 = 𝑘 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷𝑎 ∗ 𝑛 (33)
𝑢2 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑎 ∗ 𝑛 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑙𝑎 (34)
Donde:
𝑣𝑢2′, representa la velocidad tangencial de líquido.
𝑢2, representa la velocidad en las puntas de las palas.
Reemplazando el valor de n en la ecuación 34, se obtiene:
𝑢2 = 𝜋 ∗ 5,21 𝑐𝑚 ∗2500
60 𝑟𝑝𝑠 = 681,99 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚 = 6,81 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚
3.5.3.2. Cálculo de la velocidad radial del fluido.
𝑞 = 𝑣𝑟2′ ∗ 𝐴𝑝 (35)
73
𝐴𝑝 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑎 ∗ 𝑊 (36)
Donde:
q, representa la velocidad volumétrica de flujo.
Ap, representa el área del cilindro barrido por los extremos de las palas del rodete.
Reemplazando los valores de Da y W en la ecuación 36 se obtiene:
𝐴𝑝 = 𝜋 ∗ 5,21 𝑐𝑚 ∗ 1,04 𝑐𝑚 = 17,02 𝑐𝑚2 = 0,002 𝑚2
Por lo tanto, la velocidad radial del fluido será:
𝑣𝑟2′ = 𝜋 ∗ 𝐷𝑎 ∗ 𝑛 ∗ (1 − 𝑘)𝑡𝑎𝑛𝛽2
′ (37)
Donde:
𝑣𝑟2′, representa la velocidad radial del líquido.
𝛽2′, representa el ángulo de inclinación de las palas.
Para poder definir todos los valores de la ecuación 35, se determina el cálculo del
número de flujo.
𝑁𝑄 =𝑞
𝑛 ∗ 𝐷𝑎3 (38)
Donde:
𝑁𝑄, representa el número de flujo.
Para turbinas con 6 palas planas se considera NQ = 1,3 por lo tanto:
𝑞 = 1,3 ∗ 41,67𝑟𝑝𝑠 ∗ 5,213𝑐𝑚3 = 7660,29𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚3 = 0,0076 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚3
Reemplazando el valor de q en la Ecuación 37, se obtiene:
𝑣𝑟2′ =
𝑞
𝐴𝑝=
7660,29 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚3
17,02 𝑐𝑚2= 450,01 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚 = 4,50 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚
En la correlación para el cálculo de la potencia a escala de laboratorio se considera una
inclinación de las aspas de 45°, por lo tanto:
𝑘 = 1 −𝑣𝑟2
′
𝜋 ∗ 𝐷𝑎 ∗ 𝑛 ∗ 𝑡𝑎𝑛𝛽2′ = 1 −
4,50 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚
𝜋 ∗ 0,052 𝑚 ∗ 41,67 𝑟𝑝𝑠 ∗ tan(45)= 0,34
74
Reemplazando este valor en la ecuación 33, se obtiene el valor de la velocidad
tangencial de flujo:
𝑣𝑢2′ = 0,34 ∗ 𝜋 ∗ 5,21 𝑐𝑚 ∗ 41,67 𝑟𝑝𝑠 = 231,88 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚 = 2,31 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚
3.5.3.3. Cálculo de la velocidad total de flujo “𝑣2′”.- De esta manera se puede
calcular la velocidad total de flujo en el mismo punto:
𝑣2′ = [(𝑣𝑢2
′)2
+ (𝑣𝑟2′)
2]
12⁄
𝑃𝑜𝑟 𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟í𝑎
𝑣2′ = (2,312 + 4,502)
12⁄ = 506,24 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚 = 5,21 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚
3.5.3.4. Cálculo del gradiente de velocidad. - “El gradiente será muy grande cerca
del borde del chorro que sale del rodete debido a que la velocidad es elevada y el chorro
es relativamente estrecho. El gradiente de velocidad en el extremo de la pala, basado
en la velocidad vertical en dicho punto es aproximadamente 0,9 u / 0,75 W, donde 0,9 u
es la resultante de las velocidades radial y tangencial, y 0,75 W es la mitad de la anchura
del chorro que sale del rodete” [26]. Utilizando la Ecuación 34, se obtiene:
𝑢 = 𝜋 ∗ 41,67 𝑟𝑝𝑠 ∗ 5,21 𝑐𝑚 = 681,99 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚 = 6,81 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚
Entonces, una turbina estándar tendrá un gradiente de velocidad igual a:
𝑑𝑣
𝑡=
0,9 ∗ 𝑢
0,75 ∗ 𝑊=
0,9 ∗ 6,81 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚
0,75 ∗ 0,010 𝑚= 816,81 𝑟𝑝𝑠
Esta magnitud representa una estimación de la máxima cizalladura en la región próxima
al rodete de la turbina.
Detrás de las palas de la turbina hay vórtices intensos, donde la cizalladura local puede
ser tan elevada como 50*n34.
3.5.4. Cálculo del valor de flujo generado “𝑞𝑇”
𝑞𝑇 = 0,92 ∗ 𝑛 ∗ 𝐷𝑎3 ∗ (
𝐷𝑡
𝐷𝑎) (39)
𝑞𝑇 = 0,92 ∗ 41,67 𝑟𝑝𝑠 ∗ 0,0523𝑚3 ∗ 3 = 16263,39 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑐𝑚3 = 0,0166 𝑟𝑝𝑠 ∗ 𝑚3
75
3.5.5. Cálculo del tiempo de agitación
𝑡𝑇 =5 ∗ 𝜋 ∗
𝐷𝑇4
∗ 𝐻
0,92 ∗ 𝑛 ∗ 𝐷𝑎3 ∗
𝐷𝑇𝐷𝑎
=5 ∗ 𝜋
3,68∗
𝐷𝑇 ∗ 𝐻
𝑛 ∗ 𝐷𝑎2 (40)
𝑡𝑇 = 0,43 ∗0,16 𝑚 ∗ 0,16 𝑚
41,67 𝑟𝑝𝑠 ∗ 0,0522𝑚2= 0,97𝑟𝑝𝑠−1
𝑡𝑇 = 0,97𝑠
𝑟𝑒𝑣∗ 2500 𝑟𝑒𝑣 = 2425 (𝑠) = 40, 42 min ≅ 41 𝑚𝑖𝑛.
3.5.6. Cálculo de la potencia consumida por agitación “P”
3.5.6.1. Cálculo del Número de Reynolds
𝑁′𝑅𝑒 =
𝐷𝑎2 ∗ 𝑁 ∗ 𝜌
𝜇 (41)
𝑁′𝑅𝑒 =
0,0522𝑚2∗41,67 𝑟𝑝𝑠∗1030𝑘𝑔
𝑚3⁄
11800 𝑘𝑔
𝑚∗𝑠⁄= 0,57 Flujo Laminar
Utilizado el siguiente nomograma se obtiene:
Figura 35: Nomograma para la estimación del número de potencia en un agitador tipo
turbina. [27]
76
a) Turbina de 6 aspas planas con 4 deflectores.
b) Turbina abierta de 6 aspas planas con 4 deflectores.
c) Turbina abierta de 6 aspas a 45° con 4 deflectores.
Para un N’Re = 0,57 y una turbina de abierta de 6 aspas a 45° con 4 deflectores se
obtiene: Np = 40 aproximadamente.
Por lo tanto:
𝑁𝑝 =𝑃
𝜌 ∗ 𝑁3 ∗ 𝐷𝑎5 (42)
𝑃 = 40 ∗ 1030 𝑘𝑔
𝑚3⁄ ∗ 41,673𝑟𝑝𝑠3 ∗ 0,0525𝑚5 = 1133,40 𝐽
𝑠= 1,52 𝐻. 𝑃
Son resultados a escala de laboratorio, por lo cual se procede a escalonarlo a nivel
industrial.
3.5.7. Escalamiento Industrial Lineal.
𝐷𝑎1 , 𝐷𝑇1 , 𝐻1 , 𝑊1 ⟶ 𝐷𝑎2
, 𝐷𝑇2 , 𝐻2 , 𝑊2 (43)
3.5.7.1. Determinar la razón de aumento de escala R utilizando un cilindro
estándar. (Dt1 = H1)
𝑉1 =𝜋 ∗ 𝐷𝑇1
2
4∗ 𝐻1 =
𝜋 ∗ 𝐷𝑇1
3
4 (44)
Por lo tanto:
𝑉2
𝑉1=
𝜋 ∗ 𝐷𝑇2
3
4𝜋 ∗ 𝐷𝑇1
3
4
=𝐷𝑇2
3
𝐷𝑇1
3 (45)
De la relación anterior se puede determinar la razón de aumento de escala, de la
siguiente manera:
𝑅 = (𝑉2
𝑉1)
13⁄
=𝐷𝑇2
𝐷𝑇1
(46)
77
Para determinar el volumen del tanque a escala industrial, se utiliza la Ecuación 30, pero
en este caso utilizamos una masa igual a: 15000 kg que es la producción diaria de
cemento asfáltico. Por lo tanto,
𝑉2 =𝑚𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑜
𝜌𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑠𝑓á𝑙𝑡𝑖𝑐𝑜=
15000 𝑘𝑔
1030 𝑘𝑔
𝑚3⁄= 14,56 𝑚3
Reemplazando este valor en la ecuación 46 se obtiene:
𝑅 = (14,56 𝑚3
0.003 𝑚3)
13⁄
= 16,93
3.5.7.2. Aplicar R a las Dimensiones: Da, Dt, H, W, J, L y E
𝐷𝑎2= 𝑅 ∗ 𝐷𝑎1
𝐷𝑇2= 𝑅 ∗ 𝐷𝑇1
𝐻2 = 𝑅 ∗ 𝐻1 𝑊2 = 𝑅 ∗ 𝑊1
𝐽2 = 𝑅 ∗ 𝐽1 𝐿2 = 𝑅 ∗ 𝐿1 𝐸2 = 𝑅 ∗ 𝐸1
Tabla 56. Nuevas dimensiones para el cálculo de potencia aplicando R
Escala Laboratorio
(m) R
Escala Industrial
(m)
Da1 = 0,052
16,93
Da1 = 0,88
DT1 = 0,16 DT1 = 2,71
H1 = 0,16 H1 = 2,71
W1 = 0,010 W1 = 0,010
J1 = 0,013 J1 = 0,17
L1 = 0,013 L1 = 0,17
E1 = 0,052 E1 = 0,88
3.5.7.3. Determinar la velocidad de agitación “N” para el agitador a gran escala
𝑁2 = 𝑁1 ∗ (1
𝑅)
𝑛
(47)
Donde n:
o n = 1, para igual movimiento de líquidos
o n = ¾ para la misma suspensión de sólidos.
o n = 2/3 para iguales transferencias de masa.
Se requiere que el proceso industrial tenga la misma suspensión de sólidos que el
proceso a escala de laboratorio, pues dentro de las propiedades que debe cumplir el
cemento asfáltico se encuentra el porcentaje del contenido de sólidos. Por lo tanto:
78
𝑁2 = 2500 𝑟𝑝𝑚 ∗ (1
16,93)
34⁄
= 299,51 𝑟𝑝𝑚 = 4,99 𝑟𝑝𝑠 ≅ 5 𝑟𝑝𝑠.
Se procede a calcular el NRe con el N2 y utilizando la ecuación 41, por lo tanto:
𝑁𝑅𝑒2=
1030 𝑘𝑔
𝑚3⁄ ∗ 4,99 𝑟𝑝𝑠 ∗ 0,882𝑚2
11800 𝑘𝑔
𝑚 ∗ 𝑠
= 19,63
Utilizando el nomograma de la Figura 35 con un NRe = 19,63 se obtiene un NP = 3,9
aproximadamente.
Con estas magnitudes se utiliza la ecuación 42 para determinar el valor de la potencia
requerida.
𝑃 = 3,9 ∗ 1030𝑘𝑔
𝑚3⁄ ∗ 4,993𝑟𝑝𝑠3 ∗ 0,885𝑚5 = 264386,86𝐽
𝑠= 354,41 𝐻𝑃
Para obtener los valores de velocidad de flujo y sus componentes se procede como en
cálculo realizado para las magnitudes de laboratorio, cuyos valores se presentan en la
Tabla 57.
Por motivos de seguridad al valor de potencia obtenido se aumentará en un 15 %.
𝑃 = 354,41 ∗ 1.15 = 533 𝐻𝑃
Tabla 57. Resultados del diseño de un tanque agitador a escala de laboratorio con
proyección ha escalado industrial
Nombre de la magnitud Abr Unidades Escala
Laboratorio Escala
Industrial
Masa del cemento asfáltico mc.a kg 3,0000 15000,00
Densidad del cemento asfáltico
ρc.a kg/m3 1030,0000 1030,00
Viscosidad del cemento asfáltico
µc.a kg/(m*s) 118,0000 118,00
Volumen del tanque agitador VT m3 0,0030 15,00
Diámetro del tanque agitador DT m 0,1600 3,00
Diámetro de la turbina Da m 0,0520 0,88
Altura del tanque H m 0,1600 2,71
Ancho de las placas deflectoras
J m 0,0130 0,22
Altura del impulsor W m 0,1000 1,70 e-03
Altura de la turbina E m 0,0520 0,88
Longitud del impulsor L m 0,0130 0,17
Velocidad de agitación N rpm 2500,0000 300,00
Velocidad en el extremo de las palas de agitación
u2 rps*m 6,8400 14,00
79
(Continuación Tabla 57)
Nombre de la magnitud Abr Unidades Escala
Laboratorio Escala
Industrial
Velocidad tangencial de flujo Vu2’ rps*m 2,3100 8,00
Velocidad radial de flujo Vr2’ rps*m 4,6600 10,00
Velocidad total de flujo V2 rps*m 5,2100 13,00
Flujo volumétrico generado en el extremo de las palas
q rps*m3 0,0706 5,00
Flujo volumétrico total qTotal rps*m3 0,0166 3,00
Tiempo de agitación tT min 41,0000 41,00
Número de Reynolds para el diseño
NRe’ -- 0,5700 20,00
Número de Potencia Np -- 40,0000 4,00
Potencia generada P H.P 1,5200 533,00
Con los datos obtenidos se procede a realizar el estudio económico que tendría la nueva
formulación de cemento asfáltico mejorado C.A.1. en la planta de Imptek – Chova del
Ecuador S.A.
3.6. Análisis de costos de materias primas para obtener cemento asfáltico en
los años 2015 y 2016.
En esta parte del análisis se va a comparar los costos de producción entre las muestras
de cemento asfáltico C.A. y el nuevo cemento asfáltico C.A.1, para lo cual se analizan
las variaciones en precios a la fecha 01 de enero del 2017 según los proveedores con
los cuales trabaja la empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A.
3.6.1. Estudio de costos de materias primas para la obtención de una muestra de
cemento asfáltico C.A.
Tabla 58. Análisis de costos para la muestra de cemento asfáltico C.A.
Compuestos Químicos
Proveedor Formulación,
[%] Carga,
[kg]
AÑO 2015 AÑO 2016
Costo/kg Costo,
[$] Costo/kg
Costo, [$]
Emulsión catiónica css - 1h
IMPTEK 17,97 0,180 0,24 0,04 0,94 0,17
Microbicida Química
Comercial 0,20 0,002 4,99 0,01 4,99 0,01
Polivinil acetato 114
POLIQUIM 48,44 0,484 1,08 0,52 1,38 0,67
Solución de alcohol polivinílico
Pinturas Cóndor
9,34 0,930 1,05 0,10 1,09 0,10
Caolín Ecuaminas 14,59 0,146 0,15 0,02 0,15 0,02
80
(Continuación Tabla 58)
Compuestos Químicos
Proveedor Formulación,
[%] Carga,
[kg]
AÑO 2015 AÑO 2016
Costo/kg Costo,
[$] Costo/kg
Costo, [$]
Resina acrílica estirena 445
POLIQUIM 7,47 0,750 1,78 0,13 2,30 0,17
Amianto EGAR 0,82 0,008 1,16 0,01 1,16 0,01
Agua de pozo IMPTEK 1,17 0,120 0,00 0,00 0,00 0,00
Cemento asfáltico
IMPTEK 100,00 1,000 - 0,83 - 1,15
3.6.2. Estudio de costos de materias primas para la obtención de una muestra de
cemento asfáltico C.A.1.
Tabla 59: Análisis de costos para la muestra de cemento asfáltico C.A.1.
Compuestos Químicos
Proveedor Formulación,
[%] Carga,
[kg]
AÑO 2015 AÑO 2016
Costo/kg Costo,
[$] Costo/kg
Costo, [$]
Emulsión catiónica css - 1h
IMPTEK 21,57 0,216 0,24 0,05 0,94 0,20
Microbicida Química
Comercial 0,20 0,002 4,99 0,01 4,99 0,01
Polivinil acetato 114
POLIQUIM 40,99 0,410 1,08 0,44 1,38 0,57
Solución de alcohol polivinílico
Pinturas Cóndor
9,34 0,930 1,05 0,10 1,09 0,10
Caolín Ecuaminas 18,24 0,182 0,15 0,03 0,15 0,03
Resina acrílica estirena 562
POLIQUIM 7,47 0,750 2,72 0,20 2,75 0,21
Fibra de vidrio Química
Comercial 0,82 0,008 2,90 0,02 2,90 0,02
Agua de pozo IMPTEK 1,17 0,120 0,00 0,00 0,00 0,00
Texanol Química
Comercial 0,20 0,002 2,90 0,01 2,90 0,01
Cemento asfáltico
IMPTEK 100,00 1,000 - 0,86 - 1,15
81
4. DISCUSIÓN
Elaboración de emulsión asfáltica.
Para la preparación de solución jabonosa se necesita realizar la titulación con ácido
clorhídrico HCl hasta obtener un pH entre 1,7 y 2,4, cuando este rango se ve alterado
es necesario modificar la cantidad utilizada, por lo tanto, para la obtención de
emulsión en el laboratorio se realizó una variación en el porcentaje de HCl que va de
0,11% a 0,05% compensando esta disminución en la formulación final con la adición
de agua.
Proceso de reformulación del cemento asfáltico.
Para obtener la nueva formulación del cemento asfáltico, se inició estableciendo una
relación de concentración entre la base solvente (emulsión asfáltica) y el soluto
(solución de alcohol polivinílico al 20 %, resina acrílica estirenada, polivinil acetato,
caolín y fibras minerales). La suma de las nuevas concentraciones con base en las
relaciones establecidas (5 %, 10 %, 15 %, 20 % y 25 %), de los componentes de la
base solvente y el soluto no deben exceder el 98,71 % de la composición total del
cemento asfáltico, sin considerar el porcentaje representativo de los aditivos de la
fórmula (microbicida y agua), tal como se indica en la Tabla 15.
En la Tabla 16 se presentaron las concentraciones de los componentes que forman
parte del soluto (79,84 % de la composición total del C.A.) dentro de la formulación
de C.A. A cada relación de concentración “Ri” entre la emulsión asfáltica y los
componentes del soluto, se aplicó 5 variaciones diferentes (5 %, 10 %, 15 %, 20 %,
25 % de Ri), con la finalidad de establecer la máxima relación en la que puede variar
el soluto sin alterar la formulación final.
Al sobrepasar el 79,84% en cada variación, se optó por modificar en forma
proporcional las concentraciones de los componentes del soluto que aportan el
mayor porcentaje de concentración (polivinil acetato 114 y caolín), sin modificar la
composición de los elementos restantes hasta alcanzar un porcentaje total del soluto
cercano al 79,84 %. Los nuevos porcentajes se tabulan en la Tabla 17.
82
En la Tabla 19 se registraron los resultados de los ensayos fisicoquímicos de 25
muestras obtenidas al variar la concentración de emulsión asfáltica y cambiar la fibra
mineral. Acorde con el rango de especificaciones establecidas para el cumplimiento
de las propiedades fisicoquímicas del cemento asfáltico, únicamente 7 muestras se
encuentran dentro del rango. El instructivo de trabajo interno de la empresa establece
que una muestra de cemento asfáltico debe pasar todos los ensayos fisicoquímicos,
por lo tanto, se rechazaron a las muestras que no cumplan con esta condición.
Validez estadística del proceso de formulación del cemento asfáltico.
Se estableció un modelo de dos factores equirreplicado (3 réplicas por cada nivel del
factor), aleatorizado y de tamaño igual a 75 muestras. Se realizó un análisis de
varianza de efectos fijos, puesto que, las relaciones de concentración y los tipos de
fibra fueron establecidos en 5 niveles fijos con el propósito de facilitar la interpretación
de resultados que se obtengan del ANOVA. Las muestras e inferencias obtenidas en
el análisis afectaron exclusivamente a los niveles escogidos para este estudio en
particular, sin considerar a otros niveles que pudieron ser incluidos.
Para el ANOVA se estableció un nivel de significancia α = 0,05 el cual indica un riesgo
del 5 % en concluir que existe una diferencia cuando no hay una diferencia real. El α
fue establecido en ese valor con el propósito de establecer un equilibrio entre los
riesgos de error del tipo I y tipo II, puesto que, mientras más pequeño es el valor de
α existe mayor probabilidad de cometer un error tipo II, que no rechaza el hecho de
que la hipótesis nula sea falsa.
Las variables explicativas presentan una distribución simétrica al realizar la curva de
distribución presentada en las Figuras 19, 21, 23 y 25 para las variables: pH,
viscosidad, densidad relativa y contenido de sólidos, respectivamente. En el diseño
estadístico fueron consideradas todas las variables que generan influencia en las
propiedades del cemento asfáltico y se mantuvo la misma estructura en el ajuste de
los parámetros del conjunto de datos muestrales para cada variable. Se escogió una
función logarítmica potencial para el análisis con regresión lineal para un mismo
tamaño de muestras en los niveles de significación de las pruebas de hipótesis, por
lo cual se considera que existe homogeneidad de varianzas para cada variable
dependiente.
El objetivo de este estudio es encontrar un tipo de fibra que pueda suplir al amianto
en cuanto a su funcionalidad dentro de la formulación del cemento asfáltico y la
83
relación de concentración con la que se obtenga menor interferencia en los valores
de las variables dependientes. Es importante conocer las medias que difieren en
menor proporción para escoger el tipo de fibra adecuado y la relación de
concentración con la cual se obtenga los valores de las variables dependientes
similares a los obtenidos con la formulación del C.A.
Una vez rechazada la hipótesis nula del ANOVA se aplica la prueba de Tukey para
comparar las medias de cada uno de los niveles de los factores.
Análisis de V.D = pH. - la menor diferencia de medias se obtiene al pasar del amianto
a la lana de roca (Tabla 21), para la concentración la menor diferencia se obtiene en
las concentraciones del 5 % y 25 % (Tabla 23), sin embargo, la variación de pH debe
oscilar en el rango de 3 a 6, considerando pH = 5,00 como recomendable. La Figura
20 indica que el arbocel y el nylon reciclado sobre pasan el valor de 6, por lo que
estas fibras son rechazadas, también indica que la lana de roca presenta altos
valores en las pendientes al sobre pasar de una concentración a otra, por lo que el
comportamiento del pH para este tipo de fibra es incierto al variar las concentraciones
de emulsión asfáltica. La fibra de vidrio por su parte, presenta un comportamiento
homogéneo al pasar de una concentración a otra, generando cambios poco
significativos en el valor de pH cuya concentración al 20 % se aproxima al valor
recomendado de 5,00.
Análisis V.D. = viscosidad. – El rango de viscosidad aceptado es amplio, puesto
que la especificación dice que debe ser mayor a 100000 cP, este rango lo cumplen
todas las fibras y todas las concentraciones, en este proyecto se establece un límite
máximo de 250000 cP, después de esto el cemento asfáltico se torna muy pastoso.
La Tabla 26 indica que la menor diferencia significativa se obtiene al reemplazar el
amianto por lana de roca y la Tabla 28 indica que las concentraciones recomendadas
son: 10 % y 25 %. Al definir límites, se observa en la Figura 22 que el amianto y el
nylon reciclado sobre pasan el límite y que el resto de fibras generan grandes
pendientes al pasar de una concentración a otra. La fibra de vidrio en particular
muestra un comportamiento casi homogéneo hasta la concentración del 15 %,
después de esto el valor de viscosidad empieza a modificarse notablemente.
Análisis V.D. = densidad relativa. - Es recomendable que el cemento asfáltico tenga
un valor de 1 g/cm3 y no sobrepase el rango: 0,95 y 1,05 g/cm3. La Tabla 31 indica
que la diferencia menor en densidad se obtuvo al sustituir el amianto por fibra de
vidrio utilizando concentraciones del 5, 10 y 15 % (Tabla 33). La Figura 24 muestra
84
que la lana de roca presenta el mismo comportamiento que el amianto al variar las
concentraciones de emulsión asfáltica, sin embargo, la fibra de vidrio presenta un
comportamiento que se acopla mejor al valor de densidad recomendado para el
cemento asfáltico en las concentraciones del 10 % y 15 %.
Análisis V.D. = contenido de sólidos. - El porcentaje máximo de sólidos que el
cemento asfáltico debe tener es 55 % y el mínimo 45 %. Un valor fuera de este rango
implicaría una modificación de propiedades del cemento, al ser una propiedad
influyente en la resistencia a la tracción. La Tabla 36 refleja a la fibra de vidrio como
mejor reemplazo al amianto al obtener una diferencia menor en sus medias con
respecto a las otras fibras en una concentración al 20 % (Tabla 38). La Figura 26
indica que con todas las fibras minerales se genera un aumento en el contenido de
sólidos al aumentar la concentración de emulsión en 5%, después de esto, en el
rango del 10 al 20 % de concentración, las fibras amianto, arbocel y fibra de vidrio
mantienen un valor casi constante (pendientes iguales) con respecto al contenido de
sólidos.
Validación de las propiedades mecánicas del cemento asfáltico.
Los ensayos mecánicos permiten comprobar las propiedades de imprimación,
impermeabilización y adhesividad del cemento asfáltico. Se realizó los ensayos para
7 muestras que pasaron las pruebas fisicoquímicas, los valores se encuentran
tabulados en la Tabla 40, en la que se observa que la muestra A42 (fibra de vidrio al
20 %) refleja los mejores valores con relación al resto de muestras. Este tipo de
ensayos, Imptek – Chova del Ecuador S.A no realiza para el cemento asfáltico, pero
lo hace con otros productos similares como es el caso del ALUMBAND (lámina
asfáltica), del cual se obtuvo las especificaciones para categorizar al cemento
asfáltico.
Obtención del nuevo cemento asfáltico C.A.1.
En los ensayos mecánicos realizados para la verificación de propiedades de
imprimación, impermeabilización y adhesividad, se observa que tanto la formulación
actual de cemento asfáltico C.A. y la nueva formulación C.A.1., no pasan la prueba
de impermeabilización, por lo que, se optó por cambiar el tipo de resina acrílica
estirenada pasando de la 445 a la 562. Los ensayos realizados con la nueva resina
se presentan en la Tabla 43.
85
Los resultados obtenidos con las dos resinas acrílicas estirenadas (445 y 562), tanto
fisicoquímicos como mecánicos, se tabulan en la Tabla 56. Se observa que los
resultados no difieren significativamente entre resinas y se encuentran dentro del
rango de especificaciones, sin embargo, con la resina acrílica estirenada 562 se
mejora notablemente la propiedad de impermeabilización sin influenciar en las
propiedades de imprimación y adhesividad.
Tiempo de secado
A la formulación final del cemento asfáltico C.A.1., se adicionó un aditivo coalescente
con el propósito de disminuir su tiempo de secado. Se realizaron pruebas con texanol
y octoato de cobalto, en cuyas fichas técnicas recomiendan utilizar hasta el 0,5 % del
peso total del producto al ser agregado. Se establecieron 5 concentraciones para
cada aditivo (5 %, 10 %, 15 %, 20 % y 25 %), los resultados de los ensayos
fisicoquímicos realizados con cada aditivo se presentan en las Tablas 52 (texanol) y
53 (octoato de cobalto). Con el texanol se obtiene un tiempo menor en el cual el
C.A.1. se seca con el 0,5 % de concentración, sin embargo, a partir del 0,3 % de
concentración el C.A.1. se torna rígido y quebradizo, lo mismo ocurre con el octoato
de cobalto en la concentración del 0,5 %. En la Tabla 54 se presenta la comparación
de resultados para cada aditivo, se escogió el texanol al 0,2 % de concentración para
que el cemento asfáltico tarde 7 horas aproximadamente en secarse, frente al octoato
que requiere de 0,4 % de concentración para que el cemento se seque en 12 horas
aproximadamente.
Caracterización reológica del cemento asfáltico.
El valor de la velocidad de cizallamiento para una muestra de C.A.1. es 10 veces
mayor que para el C.A. Se obtuvo un valor de 100 s-1 (Figura 27) antes de que el
C.A.1. empiece a modificar su estructura interna frente a tensiones externas,
mientras que el C.A. (Figura 54) alcanza un valor de 10 s-1, por lo tanto, la muestra
de C.A.1. ayuda a disipar la energía más eficientemente que la muestra de C.A.
Una vez que fue definida la velocidad de cizalla para las muestras de cemento
asfáltico, C.A. (10 s-1) y C.A.1. (100 s-1) se realizaron las pruebas de tixotropía para
dichas muestras. Se observa en la Figura 54 que la muestra C.A. presenta un
comportamiento tixotrópico al observar una disminución en la viscosidad en un
intervalo de tiempo, manteniendo constante la velocidad de cizallamiento; en el caso
de la muestra de C.A.1. (Figura 28) la disminución de viscosidad es menos evidente,
lo cual implica que el C.A. tiene un límite de tiempo para ser manipulado antes que
86
su estructura interna se modifique y produzca una ruptura del material, lo que no
ocurre con el C.A.1. que presenta una estructura interna más fuerte. El tiempo en el
que tardará el C.A. modifique su estructura interna durante la manipulación
dependerá de las condiciones externas al que sea sometido el producto.
La Figura 32 refleja el ensayo de barrido de temperatura para la muestra C.A.1. en
el que se observó que la temperatura máxima que puede soportar la muestra de
cemento asfáltico antes de que su estructura interna se modifique es 75 °C
aproximadamente, lo cual implica que el nuevo cemento asfáltico es más resistente
que la muestra C.A. (Figura 75) el cual se rompe cuando la temperatura sobrepasa
los 55 °C.
Diseño del tanque mezclador.
El valor de Reynolds de agitación obtenido (0,57) para la escala de laboratorio es
muy bajo y la viscosidad muy alta (118000 cP) por lo que se considera utilizar un
agitador tipo turbina abierta de 6 aspas a 45° (recomendado para altos valores de
viscosidad y fluidos que presentan suspensión de sólidos) con 4 deflectores para
evitar la formación de vórtices en el interior del tanque. Con esta información se utiliza
el nomograma de la Figura 35 para obtener el valor de la potencia (1,52 hp).
Con los valores obtenidos en el laboratorio se procede a realizar un escalamiento
industrial de semejanza geométrica, puesto que, todas las dimensiones
características del proceso son similares en el tanque modelo y en el tanque
prototipo. Entre los dos sistemas existen una semejanza cinética, es decir, las
proporciones de velocidades son iguales. Se aplica el modelamiento para un lote de
15 toneladas de cemento asfáltico (batch producido diariamente por la empresa) y
utilizando los criterios de diseño obtenidos en el laboratorio. Se determinó el valor de
una relación de aumento (R = 16,93) aplicando la Ecuación 46 y cuyos resultados se
tabulan en la Tabla 56.
Al valor de potencia obtenido en el escalamiento industrial (P = 354,41 hp) se aplicó
un criterio de seguridad del 15 % (recomendaciones de seguridad para tanques
presurizados) y se obtuvo finalmente el valor máximo requerido de potencia (P = 533
hp) para obtener 15 toneladas de cemento asfáltico diariamente.
87
5. CONCLUSIONES
Proceso de reformulación
De las 25 muestras sometidas a ensayos, únicamente 7 pasan las pruebas
fisicoquímicas como se observa en la Tabla 19 las cuales son: A21 (lana de roca al
10 %), A12 (fibra de vidrio al 5 %), A42 (fibra d vidrio al 20 %), A52 (fibra de vidrio al
25 %), A25 (amianto al 10 %), A35 (Amianto al 15 %), A35 (amianto al 20 %).
Al realizar los ensayos de impermeabilización como se observa en la Tabla 65, tanto
el cemento asfáltico que se produce en Imptek – Chova del Ecuador S.A (C.A.) y el
nuevo cemento asfáltico (C.A.1), no pasan la prueba de estanqueidad (tomada como
referente para el ensayo de impermeabilización) para lo cual es necesario reemplazar
la resina acrílica estirenada 445 por la resina acrílica estirenada 562 logrando un
mejoramiento en esta propiedad.
Para disminuir el tiempo de secado del cemento asfáltico se utilizó un aditivo
coalescente que ayuda a acelerar el proceso de formación de película, formando una
pasta que se seca homogéneamente en el interior del cemento asfáltico cuando es
expuesto al aire, disminuyendo en un 50 % el tiempo de secado del producto. El
aditivo utilizado es “Texanol” (Tabla 50) que a una concentración del 0,2 %, logra
disminuir el tiempo de secado a 7 horas aproximadamente. Este aditivo puede ser
incluido directamente en la formulación como se observa en la Tabla 52, o puede ser
utilizado por separado dependiendo del uso al que va a ser expuesto el cemento
asfáltico.
Análisis estadístico
Se rechaza la hipótesis nula del ANOVA para las variables dependientes (pH,
viscosidad, densidad relativa y contenido de sólidos) al observar que los niveles
críticos de significancia para los efectos de cada factor y las posibles interacciones
entre factores (Tablas 20, 26, 32 y 38 respectivamente) son menores que el valor de
α. (p = 0,00 < 0,05). Después de rechazar la hipótesis nula, se aplicó la prueba de
Tukey para identificar las diferencias significativas existentes entre pares de datos,
cuando se estudia la inferencia que genera el cambio de concentración y el tipo de
fibra sobre las variables dependientes.
88
Se establecieron valores recomendados para cada variable dependiente; pH = 5,00,
densidad relativa = 1,00 g/cm3, contenido de sólidos = 50 %. Para el caso de
viscosidad, el panorama es diferente, en primera instancia el rango de validez de esta
propiedad es muy amplio, puesto que se aprueba todos los valores mayores a
100000 cP, por lo tanto, se definió un límite máximo de 250000 cP para validar esta
propiedad. La interpretación de las Figuras 22 (pH), 24 (viscosidad), 26 (densidad
relativa) y 28 (contenido de sólidos) indica el comportamiento que presenta cada tipo
de fibra al variar la concentración de emulsión asfáltica sobre las variables
dependientes, obteniendo como mejor opción de reemplazo al amianto a la lana de
roca y fibra de vidrio en las concentraciones del 5 % y 20 %.
Comparando los resultados obtenidos en la Tabla 40 de las propiedades mecánicas
para el cemento asfáltico, con los resultados obtenidos del análisis de gráficas
mencionadas en el párrafo anterior, se concluye que la fibra de vidrio es la mejor
opción para sustituir al amianto sin alterar las propiedades del cemento asfáltico; la
relación de concentración de aumento para la emulsión asfáltica es al 20 %, puesto
que a esta concentración se logró mantener el equilibrio en en la relación entre el
soluto y el solvente, una mayor concentración de emulsión, afecta básicamente al pH
y a la viscosidad del cemento asfáltico, siendo estas variables las que presentaron
mayores incertidumbres en sus medias.
Reología
En la Figura 35 se observa que para C.A.1. el módulo de almacenamiento es mayor
que el módulo de pérdida, en valores menores a 2 rad/s para la muestra de cemento
asfáltico C.A. (Figura 62) y 18 rad/s para C.A.1. Debajo de este punto, el material no
puede deformarse y lo cual implica que desarrolló una estructura interna fuerte. Este
resultado se evidencia en el ensayo del comportamiento de adelgazamiento por corte
para las muestras de cemento asfáltico, 6 Pa*s para el C.A.1. y 20 Pa*s para el C.A.
El pico presente en el centro de la curva de la Figura 36 muestra que se deposita una
fina capa de material solidificado sobre la geometría experimental a una temperatura
T = 75 °C para el C.A.1, mientras que para la muestra C.A ese pico se forma a una
temperatura T = 55 °C como se observa en la Figura 75. Cuando la fuerza aplicada
por la geometría descompone esta capa, se miden valores más bajos de viscosidad.
A una temperatura dada, la muestra de cemento asfáltico C.A. requiere 46,07 kW/m3
de trabajo para romper su estructura, mientras que la muestra C.A.1. requiere 78,06
kW/m3, haciendo que sea ésta sea más resistente a las fuertes manipulaciones.
89
Analizando las Figuras 34 y 61 se observa que el valor crítico del porcentaje de estrés
en el cual los materiales cruzan desde la región elástica hasta la plástica son 10 % y
26 % para C.A.1. y C.A. respectivamente. Adicional, el rango de módulos de
almacenamiento y pérdida son para la muestra C.A.1., entre 20 y 30 Pa y para la
muestra C.A. la gama es más ancha y se coloca entre 10 y 100 Pa. De lo cual se
concluye que C.A.1. tiene mejor superficie de expansión que C.A.
Diseño del tanque agitador y análisis de costos de materias primas
Las dimensiones características del proceso son similares en el tanque modelo y en
el tanque prototipo, por lo cual se supone un escalamiento de semejanza geométrica,
considerando también que existe una semejanza cinética, es decir los patrones de
movimiento son semejantes y las proporciones de velocidades son iguales. Aplicando
la condición de diseño de D = h (diámetro del tanque = altura del tanque), se obtuvo
D = 3 m, se utilizó un agitador de tipo turbina con 6 palas a 45° de inclinación, puesto
que, este tipo de agitadores se utilizan cuando se tienen varios productos sólidos en
suspensión y para altos valores de viscosidad (µ = 118000 cP.), una inclinación a 45°
ayudará a evitar la formación de vórtices en el interior del tanque.
La potencia máxima requerida para el proceso de formulación del cemento asfáltico
es 533 hp. El flujo en el interior del tanque no genera mucha turbulencia (NRe < 10),
sin embargo, su alta viscosidad requiere el uso de deflectores para obtener una
mezcla totalmente homogénea, en intervalos de tiempo considerables (tT = 41
minutos).
Se analizaron los costos de materias primas para los años 2015 y 2016 de los
proveedores con los cuales trabaja la empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A,
obteniendo los resultados que se presentan en las Tablas 58 y 59 respectivamente.
Se observó que con la nueva formulación para el año 2015 la empresa sufriría una
pérdida de 0,02 $ dólares por cada kilogramo de cemento asfáltico producido, sin
embargo, para el año 2016 los costos de materias primas son iguales, y el costo por
kilogramo de cemento asfáltico (producto mejorado) no se vería alterado.
Finalmente se obtiene un cemento asfáltico (C.A.1.) reforzado en su estructura, que
alcanza una temperatura de almacenamiento T ≈ 75 °C (C.A. = 55 °C), y una mayor
resistencia mecánica. En lugar de utilizar asbesto (producto cancerígeno) como fibra
mineral, utiliza fibra de vidrio y se logra aumentar concentración de emulsión asfáltica
(producto elaborado por la empresa) en un 20 % al porcentaje original, sin que se
90
vean afectadas las propiedades finales del producto. Con la finalidad de garantizar la
propiedad de impermeabilización, se reemplaza en la formulación a la resina acrílica
estirenada 445 por la resina acrílica estirenada 562 y se adiciona un aditivo
coalescente (Texanol) en un porcentaje del 0,2 % del peso total del cemento asfáltico,
para acelerar el tiempo de secado, obteniendo un lapso de tiempo que oscila entre 7
y 8 horas (tiempo de secado para C.A ≈ 48 horas).
91
6. RECOMENDACIONES
Se recomienda a la Empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A actualizar el instructivo
de calidad IT – CDQ – 31 para validar las características del cemento asfáltico. Se
debe incluir la secuencia de los ensayos mecánicos mencionados en el proyecto para
validar las propiedades de imprimación, impermeabilización y adhesividad, con la
finalidad de garantizar el cumplimiento de esas propiedades. Al ser ensayos que
requieren altos intervalos de tiempo para su ejecución, se recomienda realizar estos
ensayos de manera mensual, para evitar tiempos muertos en el proceso de
producción, puesto que, como reglamento interno de la empresa, el proceso de
producción del cemento asfáltico no puede seguir su curso, sin antes haber
comprobado (certificación en el laboratorio de la empresa) que la muestra preparada
cumple con las exigencias que demanda el producto.
Aunque la fibra de vidrio resulta un buen sustituto al asbesto para ser utilizado en la
formulación final del cemento asfáltico, su costo es significativamente alto en
comparación al asbesto. Se puede disminuir los costos de producción del cemento
asfáltico si se consigue fibra de vidrio reciclada, para lo cual se debería realizar la
caracterización del producto, siguiendo el procedimiento mencionado en el presente
proyecto. Analizando las propiedades que debe tener la fibra mineral (resistencia
mecánica, resistencia térmica, resistencia acústica, compatibilidad con materias
primas entre otras), existe en el mercado las fibras de tereftalato de polietileno PET
que están siendo utilizadas en una alta gama de aplicaciones industriales. Se
recomienda realizar estudios a esta fibra y en un futuro considerar si se le incluye o
no a la formulación del cemento asfáltico.
Para acelerar el tiempo de secado del cemento asfáltico se recomienda la utilización
de un aditivo coalescente. Sin embargo, el cemento asfáltico es utilizado para
diversas aplicaciones, en algunas de las cuales es mezclado con agua en las
relaciones 1:1, 1:2, 1:3, en estos casos el tiempo de secado se acelera por sí mismo.
El aditivo utilizado en este proyecto tiene la capacidad de ser aplicado directamente
a la formulación del compuesto (proceso de producción) o mezclarlo al momento de
ser utilizado el cemento asfáltico (uso semejante a las pinturas). Se recomienda
utilizar el aditivo coalescente, únicamente en los casos en los que el cemento
92
asfáltico va a ser destinado a aplicaciones en los cuales se lo adhiere sin ser
mezclado con ningún otro producto, y de esta manera se puede evitar los costos de
adicionar una nueva materia prima a la formulación final del cemento asfáltico.
93
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] DEL CASTILLO, Rico. La Ingeniería de Suelos en las vías terrestres: ferrocarriles,
carreteras y autopistas. Volumen 2. Limusa Editorial. México. 2005. p. 32.
[2] Ibíd., p.33
[3] SALAZAR, Jorge. Guía para la realización de ensayos y clasificación de asfaltos,
emulsiones asfálticas y asfaltos rebajados según el Reglamento Técnico
Centroamericano. [en inglés]. 2001. [Fecha de consulta: 18 de junio del 2016].
Disponible en: file:///C://Users/vanessa.ortega/Downloads/8392-11760-1-SM-
%20(3).pdf.
[4] DEL CASTILLO, Rico. Op.Cit., p. 35.
[5] SALAZAR, Jorge. Op. Cit., p. 30.
[6] Ibíd., p.32.
[7] OSSWALD.T y RUDOLPH, N. Polymer rheology: Fundamentals and Applications.
Hanser. Madison – USA. 2010. p. 5.
[8] Ibid., p.6.
[9] OSSWALD, Op.Cit., p.10
[10] OSSWALD, Op.Cit., p.12
[11] OSSWALD. Op. Cit., p.13
[12] Loc.Cit.
[13] OSSWALD. Op.Cit., p.90.
[14] MERCADO, Ronald; BRACHO, Carlos y AVENDAÑO, Jorge. Emulsiones
asfálticas: usos y rompimiento. [en español]. 2008. [Fecha de consulta: 25 de junio
del 2016]. Disponible en: http://www.firp.ula.ve/archivos/cuadernos/S365A.pdf.
94
[15] GONZÁLEZ, Roberto. Principios Básicos de Escalado. Centro de Estudios de
Combustión y Energía. Universidad de Matanzas. 2000. p. 19.
[16] CÁRDENAS, M. et.al., Análisis reológico para productos bituminosos. [en
español]. 2013. [Fecha de consulta: 25 de junio del 2016]. Disponible en:
http://revistas.uis.edu.eco/index.php/revistafuentes/article/view/3613/4493.
[17] Loc.Cit.
[18] Loc.Cit.
[19] Loc.Cit.
[20] Loc.Cit.
[21] Loc.Cit.
[22] Loc.Cit.
[23] MC CABE, Warren; SMITH, Julian y HARRIOTT, Petter. Operaciones Unitarias
en Ingeniería Química. Cuarta Edición. Trad. del inglés por McGraw Hill. España.
1998. p. 251.
[24] Ibid., p. 253.
[25] Loc. Cit.
[26] MC CABE. Op. Cit., 255.
[27] COLLAGUAZO. María y MALDONADO Nathaly. Agitación en Fluidos
Newtonianos. [en español]. Escuela Politécnica Nacional. 2008. [Fecha de
consulta: 15 de agosto del 2016]. Disponible en:
https://es.slideshare.net/MaryCollahuazo/fenomenos-agitacion.
95
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Ingeniería Química. Cuarta Edición. Trad. del inglés por McGraw Hill. España. 1998.
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OSSWALD, Tim y RUDOLPH, Natalie. Polymer Rheology: Fundamentals and
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WALPOLE, Ronald; MYERS, Raymond y MYERS, Sharon. Probabilidad y estadística
para ingenieros. Sexta Edición. Trad. del inglés por Pearson Education. México. 2000.
752 p.
ANEXOS
98
ANEXO A
Procedimiento para la obtención de emulsión asfáltica
Figura A.1. Preparación de solución Figura A.2. Adición de HCL
Jabonosa. controlando Ph.
Figura A.3. Mezcla de solución jabonosa y Figura A.4. Obtención de
asfalto. emulsión asfáltica.
NOTA: Es importante en este proceso, controlar el pH de la solución jabonosa, el cual
debe estar en el rango: 1,7 – 2,4.
99
ANEXO B
Instructivo de ensayos fisicoquímicos para validar la emulsión asfáltica manejados por la empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A.
Tabla B.1. Descripción de los ensayos físicos y químicos para la validación de especificaciones de la emulsión asfáltica.
ENSAYO DESCRIPCIÓN EQUIPOS PROCEDIMIENTO
Residuo por Evaporación
El ensayo se basa en la norma INEN 905 cuyo objetivo es establecer el método para obtener el residuo de una emulsión asfáltica compuesta primordialmente de asfalto, agua y un agente emulsificante, sometiendo la muestra a evaporación con el objeto de determinar la cantidad de residuo que forma la emulsión, o bien, someter dicho residuo a otras pruebas
Tres vasos de vidrio de 600 cm3 cada uno.
Tres agitadores de vidrio de 6.4 mm de diámetro y 177.8 mm de largo.
Balanza con capacidad de apreciación de 0.01 g
Estufa termostáticamente controlada y capaz de mantener una temperatura de 163 ± 3°C.
Tamiz número 50.
1. Pesar cada uno de los tres vasos vacíos con su respectivo agitador. 2. Agitar la emulsión en el recipiente que lo contiene y pesar 50 ± 0,1 gramos de la
misma dentro de cada vaso. 3. Colocar durante 2 horas los vasos y su contenido dentro de la estufa ajustada a
163 ± 3°C. 4. Sacar los vasos de la estufa; agitar uniformemente el contenido y volverlos a
colocar en la estufa por una hora más. 5. Al término del período de calentamiento, sacar los vasos de la estufa, dejarlos
enfriar a temperatura ambiente y pesar cada uno de ellos junto con su agitador. Cálculos:
% 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒅𝒖𝒐 = 𝟐 ∗ (𝑿 − 𝒀) Dónde:
X: peso del vaso, agitador y residuo, en gramos. Y: peso del vaso y agitador antes del ensayo, en gramos.
Mezcla con cemento
Este ensayo se basa en la norma INEN 904 cuyo objetivo es establece el método para determinar la mezcla de las emulsiones asfálticas con cemento.
Dos tamices número 80 y 14 respectivamente.
Recipiente de acero de 500 cm3 aproximadamente de capacidad.
Agitador de acero con extremos de 13 mm aproximadamente.
Probeta graduada de 100 cm3.
Cemento Portland Tipo III, de alta resistencia inicial y con una superficie especifica de 1 900 cm2/gramo, según las Normas INEN 196 ó 197.
1. Diluir la emulsión que se ensaya con agua destilada hasta un residuo del 55%, obtenido por evaporación o destilación a 163°C durante 3 horas.
2. Pasar una porción del cemento Portland Tipo III a través de un tamiz de 0,018 0 mm (No. 80); pesar 50 gramos del cemento que pasó el tamiz, colocándolo en el recipiente de acero.
3. Llevar la mezcla y el equipo a una temperatura aproximada de 25°C. 4. Adicionar 100 cm3 de la emulsión diluida al recipiente que contiene el cemento y
agitarla mezcla con la varilla de acero, con movimiento circular a razón de 60 revoluciones por minuto, hasta cumplir un minuto.
5. Al final de este período, añadir 150 cm3 de agua destilada y continuar la agitación durante 3 minutos.
6. Pasar la mezcla a través de un tamiz, previamente pesado, de 1,40 mm (No. 14) y lavar el tamiz con agua destilada, desde un recipiente colocado a una altura de 15 cm, hasta que el agua de lavado sea clara.
7. Colocar el tamiz en un recipiente tarado, calentarlo en una estufa a una temperatura de 163°C y pesarlo hasta lograr un peso constante que no difiera en más de 0,1 gramo.
100
(Continuación Tabla B.1.)
Carga de partículas
Para la realización de este ensayo hay que basarse en la norma INEN 908 que establece el método para identificar las emulsiones asfálticas según la polaridad eléctrica que presenten las partículas
Equipo utilizado para determinar la polaridad de las partículas.
Circuito eléctrico conectado a una fuente de energía de 12 voltios de corriente directa
Dos electrodos de acero inoxidable de 25 mm por 100 mm, aisladas entre sí y sujetas paralelamente con una separación de 13 mm.
1. Verter en el vaso la cantidad de muestra de emulsión asfáltica que debe ensayarse, hasta un nivel que permita que 25 mm de los electrodos queden sumergidos.
2. Conectar los electrodos, secos y limpios, al circuito eléctrico y sumergirlos en la emulsión hasta 25 mm de profundidad.
3. Realizar los ajustes necesarios a la resistencia, de manera que circule una corriente de 8 mA, y empezar a medir el tiempo con un cronómetro.
4. Cuando el flujo de corriente baje a 2 mA, o al cabo de 30 minutos, lo que ocurra primero, desconectar los electrodos y lavarlos suavemente con un chorro de agua.
5. Observar los electrodos y determinar cuál de los dos se encuentra más recubierto de asfalto (ánodo o cátodo).
Estabilidad de almacenamiento a 24 horas
Este ensayo se basa en la norma INEN 909 cuyo objetivo establece la manera para determinar la estabilidad en el almacenamiento de las emulsiones asfálticas, es decir, la capacidad que poseen para permanecer como una dispersión uniforme durante el almacenamiento.
Dos cilindros de vidrio de 500 cm3, con un diámetro externo de 5,0 ± 0,5
Pipeta de sifón de 60 cm3.
Cuatro vasos de precipitación de vidrio o aluminio, de 600 ó 1 000 cm3 de capacidad.
Cuatro varillas de vidrio de 6 mm de diámetro y 178 mm de longitud.
Horno termostáticamente controlado, capaz de mantener una temperatura de 163 ± 3°C, apropiado para calentar hasta 200°C.
Balanza apropiada para pesar 500 g con apreciación de 0,1 g.
1. Una vez que la emulsión asfáltica ha alcanzado la temperatura de laboratorio (21 a 27°C), verter en cada cilindro 500 cm3 de la muestra, taparlos y dejarlos en reposo durante 24 horas a la temperatura de laboratorio.
2. Transcurrido este período, succionar 55 cm3 de la emulsión de cada cilindro, tomando las muestras de la superficie, cuidando de no agitar el contenido del cilindro y transfiriéndolas a los Erlenmeyer, donde se las agita completamente.
3. Pesar separadamente 50,0 ± 0,8 g de cada muestra en los vasos de precipitación; cada vaso debe pesarse previamente, en conjunto, con una varilla de vidrio.
4. Ajustar la temperatura del horno a 163 ±3°C. 5. Colocar en el horno los vasos de precipitación con la muestra pesada y la varilla,
manteniéndolos en el horno durante dos horas; al final de este período, sacar los vasos y, utilizando la varilla, agitar completamente el residuo.
6. Colocar nuevamente en el horno los vasos de precipitación y dejarlos por una hora; sacar los vasos del horno y dejarlos enfriar a temperatura ambiente, luego pesarlos juntamente con la varilla.
7. Succionar y descartar aproximadamente 390 cm3 de la muestra superficial de cada cilindro. Mezclar completamente la porción remanente en cada uno de los cilindros y pesar por separado 50,0 ±0,1 g de cada muestra en vasos de precipitación.
101
(Continuación Tabla B.1.)
Asentamiento a 5 días
Para establecer el método de determinar la estabilidad de almacenamiento a 24 horas de una emulsión asfáltica nos basamos en la norma INEN 910.
Dos cilindros de vidrio de 500 cm3 de capacidad cuyo diámetro externo debe ser de 50 ± 5mm y con graduaciones cada 5 cm3.
1. Colocar 500 cm3 de muestra representativa en cada uno de los dos cilindros. 2. Tapar los cilindros, evitando el contacto de la muestra con el aire, en ambiente
de laboratorio y dejarlo en reposo durante cinco días. 3. Luego de este período, extraer mediante una pipeta aproximadamente 55 cm3
de emulsión, medidos desde la superficie de cada cilindro, cuidando de no causar agitación en la muestra.
4. Mezclar separadamente cada porción de muestra; pesar 50 gramos de cada muestra en vasos de precipitación de 600 cm3 de capacidad y determinar el residuo asfáltico por evaporación, de acuerdo a la Norma INEN 905.
5. Luego de obtener la primera muestra, extraer con el sifón o pipeta aproximadamente 390 cm3 de cada cilindro; mezclar completamente la emulsión remanente en los cilindros y pesar 50 gramos dentro de vasos de precipitación de 600 cm3 de capacidad y determinar el residuo asfáltico de las muestras de acuerdo a lo indicado en la Norma INEN 905.
Cálculos: Calcular el porcentaje de asentamiento utilizando la siguiente ecuación: % 𝒅𝒆 𝒂𝒔𝒆𝒏𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝟓 𝒅í𝒂𝒔 = 𝑩 − 𝑨
Dónde: B: el porcentaje promedio de residuo de las dos muestras de fondo. A: el porcentaje promedio de residuo de las dos muestras de superficie.
Penetración en el residuo
La norma INEN 917 nos permite establecer el método para determinar el índice de penetración en el residuo. Antes de indicar el procedimiento a seguir es necesario indicar a que se refiere el término penetración. Según las definiciones de la norma INEN 917 se establece que, “es la distancia, en décimas de milímetros, que una aguja de dimensiones especificadas penetra verticalmente en la muestra, bajo condiciones específicas de carga, temperatura y tiempo”.
Penetró metro. Aguja normalizada de
acero inoxidable templado, de grado 440 C o similar, de dureza Rockwell C 54 a 60, de aproximadamente 50 mm de longitud y 1,0 a 1,02 mm de diámetro.
Baño de agua. Recipiente de
transferencia. Termómetro. Cronómetro.
a) Preparación de la muestra.
Calentarla muestra hasta alcanzarla fluidez evitando sobrecalentamiento. Agitar constantemente la muestra y aumentar la temperatura máxima a 90°C por
encima del punto de reblandecimiento si la muestra es asfalto, y a no más de 60°C por encima del punto de reblandecimiento si la muestra es alquitrán.
Verter la muestra en el recipiente hasta una profundidad tal, que cuando se enfríe hasta la temperatura de ensayo, la profundidad de la muestra sea al menos 10 mm mayor que la profundidad a la que se espera penetre la aguja.
Cubrir cada recipiente con su contenido para protegerlo del polvo y dejarlo enfriar en condiciones ambientales a una temperatura no mayor de 30°C y no menor de 15°C, por un tiempo de 90 a 120 minutos si se utiliza un recipiente de 177 cm3 y de 60 a 90 minutos si se utiliza un recipiente de 88,5 cm3.
Colocar las dos muestras junto con el plato de transferencia en el baño de agua mantenido a la temperatura especificada, dejando el recipiente pequeño 60 a 90 minutos en el baño, y el grande, 90 a 120 minutos.
b) Procedimiento
Asegurar que el herrente y el vástago no contengan agua u otro material extraño; limpiar la aguja antes de cada ensayo con un pedazo de tela limpia, humedecida con un disolvente.
102
(Continuación Tabla B.1.)
Si se realiza el ensayo con el penetró-metro fuera del baño, deberá colocarse el recipiente con la muestra en el plato de transferencia, el cual se llena con agua del baño en cantidad tal que cubra completamente el recipiente. Colocar el plato con el recipiente y la muestra sobre la plataforma del aparato de penetración. En estos casos, el recipiente debe estar completamente sumergido durante todo el ensayo.
Para cualquiera de los casos, ajustar la aguja cargada con los pesos especificados, hasta que tome contacto con la superficie de la muestra; lo cual se logra haciendo el contacto del punto real de la aguja con su imagen reflejada sobre la superficie de la muestra, mediante una fuente de luz debidamente ubicada.
Anotar la lectura indicada sobre la escala del penetrómetro o colocar el indicador de lecturas en posición cero.
Soltar la aguja rápidamente por el tiempo especificado y ajustar el instrumento para medir a distancia penetrada en décimas de milímetro.
Realizar por lo menos tres penetraciones sobre la superficie de la muestra en puntos distantes de 10 mm uno del otro.
Prueba del Tamiz N° 20
Para validar el método de ensayo del tamiz No. 20 nos referimos a la norma INEN 906.
Un tamiz con un diámetro de 75 mm y una malla de 850 pm (No. 20).
Un recipiente de tamaño apropiado para que pueda colocarse el tamiz.
Horno o estufa con capacidad para mantener una temperatura constante de 105°C.
Solución al 2% de oleato de sodio para lo cual diluir 2 gramos de oleato de sodio puro en agua destilada.
1. Pesar el tamiz y el recipiente y humedecer el tamiz con la solución de oleato de sodio.
2. Pesar 1 000 gramos de la emulsión asfáltica dentro de un recipiente adecuado y verter la emulsión a través del tamiz.
3. Lavar el recipiente y el residuo retenido en el tamiz con la solución de oleato de sodio, hasta que la solución de lavado sea clara.
4. Colocar el recipiente debajo del tamiz y calentarlo en una estufa u horno durante 2 horas a 105°C.
5. Enfriar el desecador y pesar el tamiz, recipiente y residuo.
103
ANEXO C
Instructivo de ensayos fisicoquímicos para validar el cemento asfáltico de la empresa Imptek – Chova del Ecuador S.A.
Tabla C.1. Descripción de los ensayos fisicoquímicos para caracterizar un cemento asfáltico
ENSAYO DESCRIPCIÓN PROCEDIMIENTO CÁLCULOS
Densidad Relativa
“Se define Peso por Galón al peso que tiene la materia prima o producto terminado equivalente a un volumen de 1 galón americano (3785 cc), característica requerida en los IT-10.01.01 al 68 e IT-10.03.01 al 58 que son utilizados en las inspecciones y ensayos de aceptación de estos materiales”.
a) Tomar una muestra de 500 g aproximadamente. b) Se toma el equipo Copa de peso por galón el cual debe estar
previamente calibrado según IT-11.01.13, se llena el material hasta el borde evitando que se derrame o de crear burbujas en el interior de la masa.
c) Cuidadosamente se coloca la tapa a presión, dejando que el residuo rebose por el agujero que tiene la tapa en la cara superior.
d) Con un paño húmedo y limpio se limpia el exceso que se desborda por el agujero.
e) Seguidamente se pesa el recipiente en la balanza que previamente debe estar calibrada según IT-11.01.07, obteniendo un valor (x).
(𝒙) − 𝟏𝟒𝟕. 𝟏𝟖 =𝒚
𝟖𝟑. 𝟓− 𝒛
𝒖 = 𝒛 ∗ 𝟑. 𝟕𝟖𝟓 Dónde:
Z, representa el peso específico del material
U, representa el peso por galón en kilogramos
Masa de la tara (147,18) representa a la masa del recipiente limpio y seco
Volumen de la copa (83.5), representa al volumen del equipo.
Masa Final (x) es la masa final es decir masa de la tara más masa de la muestra
Contenido de sólidos
Nos basamos en la norma INEN 1024
a) Calentar el Horno a una temperatura de 140 °C b) Tomar tres pedazos de papel foil de aluminio liso de 10 * 10 cm c) Tomar como medida inicial el peso del foil limpio. d) Colocar sobre el foil una cantidad de producto comprendida entre 0.5
– 1 gramos. e) Someter a calentamiento alrededor de dos horas tomando pesos
comprendidos en intervalos de 30 minutos f) Como peso final se registra el peso del foil más el producto después
del calentamiento.
𝒑𝒐𝒓𝒄𝒆𝒏𝒕𝒂𝒋𝒆 𝒅𝒆 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 = 𝑴𝟐−𝑴𝟏
𝑴∗ 𝟏𝟎𝟎
Dónde:
M, representa el peso del producto
M1, representa el peso inicial del foil limpio
M2, representa el peso final después del calentamiento.
Contenido de agua
Nos basamos en la norma INEN 1024
En este paso simplemente se resta de 100 al valor obtenido en el punto anterior.
% 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 100 − % 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠
Asentamiento 24 horas
Nos basamos en la norma INEN 910
para el asentamiento de 24 horas se deja la muestra intacta en un recipiente. Pasadas las 24 horas se verifica que no exista la presencia de sedimentados en el fondo del recipiente ni formación de natas en la superficie.
Viscosidad Brrokfield
“El viscosímetro Brookfield mide la viscosidad de la pintura con relación a la resistencia que ofrece un rotor que gira dentro del material en ensayo. Esta resistencia se indica en un radial rotatorio, por una aguja unida por un resorte en espiral al eje del rotor y directamente conectada al eje del motor”.
104
ANEXO D
Ensayos fisicoquímicos del Instructivo IT – CDQ – 03.31 (Instructivo interno de
Imptek - Chova del Ecuador S.A) para el cemento asfáltico.
Figura D.1. Densidad relativa Figura D.2. Contenido de sólidos
Figura D.3. Tiempo de secado Figura D.4. Viscosidad Brookfield
Figura D.5. Valor pH Figura D.6. Dispersión
105
ANEXO E
Comprobación de las propiedades mecánicas basadas en Alumband para la mezcla de cemento asfáltico.
Tabla E.1. Descripción de los ensayos mecánicos para caracterizar el cemento asfáltico en las propiedades de impermeabilización,
imprimación y adhesividad.
ENSAYO DESCRIPCIÓN PROCEDIMIENTO
Estanquidad
Se define como la protección al paso del agua en el interior de un material, por lo cual está íntimamente relacionado al concepto de impermeabilización. El ensayo está destinado a láminas bituminosas en aplicaciones con baja presión, puesto que la probeta de ensayo se somete a una presión de hasta 60 kPa durante 24 horas.
Colocar la cámara de ensayo a nivel con el respectivo dispositivo (Mover los soportes de regulación hasta lograr el nivel)
Colocar tapa, arandelas y mariposas. Ajustar procurando la misma presión en cada una de las mariposas (se recomienda que sea un solo operador para evitar ajuste desigual).
Conectar los acoples rápidos a todas las tuberías y revisar el nivel. (Revisar Anexo F) Evaluación de Resultados: Revisar a través del vidrio de la cámara si el papel filtro fue coloreado (azul). Abrir la tapa de la cámara de ensayo e inspeccionar la presencia de agua en los alrededores y en el papel
filtro. El ensayo se considera como “no cumple” (“no estanca”) si se presenta evidencias de penetración de agua
provocando cambios en el papel filtro (coloración azul).
106
(Continuación Tabla E.1.)
Adhesividad
Para el ensayo de adhesividad nos basamos a la norma interna NI – 010 – 30, la cual especifica que la adhesividad es la propiedad que tiene un material para adherirse a un sustrato, como el cemento asfáltico no es una lámina como tal, la interpretación de esta norma será la capacidad que tiene el producto para pegar dos sustratos entre sí.
1. Definir el sustrato en el cual se desea ensayar y cortarlo en probetas de 15 cm de largo por 5 cm de ancho.
2. Cortar la lámina autoadhesiva en probetas de 15 cm de largo por 5 cm de ancho. 3. Dejar ambientar mínimo 2 horas a temperatura 23±2ºC. 4. Una vez que el sustrato esté libre de polvo e impurezas se debe colocar el autoadhesivo retirando 5 cm
de la probeta el material antiadherente de protección. 5. Para adherir la lámina autoadhesiva se debe ejercer presión evitando que ingrese aire al interior y
presionar con un rodillo metálico. 6. Colocar el sustrato con la lámina en el Dinamómetro y realizar el ensayo de tracción colocando en la
mordaza superior el sustrato sin lámina y en la inferior la lámina.
7. La distancia útil entre las dos mordazas del ensayo es de 15cm. 8. Aplicar carga hasta un desprendimiento de 4 cm y tomar el valor marcado en libras fuerza. 9. Transformar el valor libras fuerza a N/5cm con el factor 4.45.
Resistencia a la Tracción
La máquina de tracción estará provista con un tipo de mordazas que mantengan o incrementen su presión en función del incremento de la fuerza aplicada a la probeta. La probeta se colocará de tal manera que el deslizamiento relativo entre las mordazas se limite, como máximo, a 1 mm para productos con menos de 3 mm de espesor y 2 mm para productos de mayor espesor. El sistema de presión de las mordazas no debe producir roturas prematuras próximas a las mismas.
Sujetar las probetas firmemente entre las mordazas de la máquina de tracción, comprobando que el eje longitudinal de la probeta y el eje de la máquina de ensayo y probetas estén correctamente alineados.
Marcar las probetas con objeto de identificar un eventual deslizamiento de las mordazas. Encender el equipo y dejar que las probetas se extiendan, registrar el valor que determina el dinamómetro
multiplicado por 4,45.
107
(Continuación Tabla E.1.)
Resistencia Térmica
Para este tipo de ensayo nos basamos en el concepto de fluencia para láminas ATR, la cual representa la estabilidad de las láminas ante cambios bruscos de temperatura. Tomando como referencia esta propiedad realizamos el mismo ensayo para el cemento asfáltico.
Formar una película de cemento asfáltico sobre polietileno siliconado para facilitar el despliegue del mismo, dejar reposar hasta que quede completamente seco.
Una vez seco el producto, cortar probetas de 25 cm x 10 cm.
Colocar las probetas en un ángulo metálico de 45° identificando los puntos iniciales para determinar si la lámina fluye al someterle a altas temperaturas.
Calentar el horno a 90°C durante 2 horas, para las láminas ATR la temperatura es de 198°C, sin embargo, para el cemento asfáltico vamos a simular a 90°C puesto que el material no alcanzará temperaturas mayores a ésta.
Pasado el tiempo de ensayo, revisar el material se escurre y medir la distancia de escurrimiento la cual debe oscilar entre 0 y 5 mm.
108
ANEXO F
ENSAYO DE ESTANQUIDAD PARA EL CEMENTO ASFÁLTICO
Figura F.1. Diagrama de flujo del funcionamiento de tuberías para el ensayo de
estanquidad.
Abrir la válvula de la línea de agua potable (V-15) (ubicada bajo el lavabo de
laboratorio) a 1/4 de apertura de forma lenta.
Abrir la válvula V-12 al 100% y abrir despacio la válvula V-11. Llenar el recipiente
plástico ubicado en altura y cerrar la válvula V-11 cuando se alcance la línea
marcada de nivel.
Cerrar la válvula V-15 por completo.
Abrir la válvula V-14 de forma lenta para llenar la cámara de ensayo. Purgar el aire
con la válvula V-10 hasta que termine de salir y finalmente cerrar la válvula V-10.
Verificar que la presión de agua se encuentre en el valor indicado en la norma EN-
13707 [10kPa (1.45psi)].
Mantener el ensayo durante (24 ± 1) h de acuerdo a la norma EN 1928.
109
ANEXO G
Comparación de las propiedades de impermeabilización entre las resinas acrílicas
estirenadas 562 y 445
Figura G.1. Preparación de la superficie para
formación de película.
Figura G.2. Formación de película con cemento
asfáltico utilizando resina acrílica estirenada 562
Figura G.3. Película después de 7 días de reposo
(según la norma se debe esperar 7 días antes de realizar el ensayo de estanquidad)
Figura G.4. Probeta de cemento asfáltico para el
ensayo de estanquidad
Figura G.5. Equipo de estanquidad para el ensayo
de impermeabilización.
Figura G.6. Ensayo al pasar 24 horas
Figura G.7. Probeta de cemento asfáltico después
del ensayo con resina
Figura G.8. Probeta de cemento asfáltico después
del ensayo con resina 445.
110
ANEXO H
Procedimiento experimental para comprobar el tiempo de secado
Figura H.1. Preparación del sustrato
(fibrocemento)
Figura H.2. Aplicación de cemento asfáltico sobre
los sustratos
Figura H.3. Muestras en reposo.
Figura H.4. Muestra de cemento asfáltico con
formulación actual.
Figura H.5. Concentración al 0.2 %.
Figura H.6. Concentración al 0.3 %.
Muestras después de 7h15 de ensayo.
Formación de película de cemento asfáltico sobre polietileno siliconado, evaluado a las 24h de ensayo.
Se observa que se seca superficialmente.
Se observa que el material está completamente seco
Formulación sin aditivo Formulación con aditivo
Secado superficial, pues en el interior de la lámina sigue el producto húmedo
La formación de película es homogénea y se forma una pasta seca, acelerando el proceso de secado.
111
ANEXO J
CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DEL CEMENTO ASFÁLTICO C.A 1
Curvas para el análisis reológico realizado a 25°C
Figura J.1. Análisis de reversibilidad a 25 °C y 6000 µm
Figura J.2. Análisis de la curva de flujo constante a 25°C y 6000 µm
112
Figura J.3. Análisis del barrido por histéresis a 25°C y 6000 µm
Figura J.4. Análisis de barrido por amplitud a 25 °C y 6000 µm
113
Figura J.5. Análisis de barrido de frecuencia medidos a 25°C y 6000 µm
Curvas para el análisis reológico realizado a 40°C
Figura J.6. Análisis de la curva de flujo estacionario medido a 40°C y 6000 µm
114
Figura J.7. Análisis del ciclo de histéresis medido a 40°C y 6000 µm
Figura J.8. Análisis del barrido de amplitud, medido a 40°C y 6000 µm
115
Figura J.9. Análisis del ciclo de frecuencia medido a 40 °C y 6000 µm
Curvas para el análisis reológico realizado a 60°C
Figura J.10. Análisis de la curva de flujo estacionario, medido a 60 °C y 6000 µm
116
Figura J.11. Análisis del ciclo de histéresis, medido a 60°C y 6000 µm
Figura J.12. Análisis del barrido de amplitud, medido a 60°C y 6000 µm
117
Figura J.13. Análisis del ciclo de frecuencia, medido a 60 °C y 6000 µm.
Curvas para el análisis reológico realizado a 90 °C
Figura J.14. Análisis de la curva de flujo estacionario, medido a 90 °C y 6000 µm
118
Figura J.15. Análisis del ciclo de histéresis, medido a 90°C y 6000 µm
Figura J.16. Análisis del barrido de amplitud, medidos a 90°C y 6000 µm
119
Figura J.17. Análisis del ciclo de frecuencia, medido a 90°C y 6000 µm
120
ANEXO K
CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA PARA CEMENTO ASFÁLTICO C.A
Curvas para el análisis reológico realizado a 25°C
Figura K.1. Análisis de reversibilidad a 25°C y 6000 µm
Figura K.2. Análisis de la curva de flujo constante a 25°C y 6000 µm
121
Figura K.3. Análisis del ciclo de histéresis a 25°C y 6000 µm
Figura K.4. Análisis del barrido por amplitud a 25°C y 6000 µm
122
Figura K.5. Análisis del barrido de frecuencia a 25°C y 6000 µm
Curvas para el análisis reológico a T = 40°C
Figura K.6. Análisis de la curva de flujo estacionario a 40°C y 6000 µm
123
Figura K.7. Análisis del ciclo de histéresis a 40°C y 6000 µm
Figura K.8. Análisis del barrido de amplitud a 40°C y 6000 µm
124
Figura K.9. Análisis del barrido de frecuencia a 40°C y 6000 µm
Curvas para el análisis reológico medidos a T = 60°C
Figura K.10. Análisis de la curva de flujo constante a 60°C y 6000 µm
125
Figura K.11. Análisis del ciclo de histéresis a 60°C y 6000 µm
Figura K.12. Análisis del barrido de amplitud a 60°C y 6000 µm
126
Figura K.13. Análisis del barrido de frecuencia a 60°C y 6000 µm
Curvas para el análisis reológico medidos a T = 90°C
Figura K.14. Análisis de la curva de flujo constante a 90°C y 6000 µm
127
Figura K.15. Análisis del ciclo de histéresis a 90°C y 6000 µm
Figura K.16. Análisis del barrido de amplitud a 90°C y 6000 µm
128
Figura K.17. Análisis del barrido de frecuencia a 90°C y 6000 µm
Figura K.18. Análisis de la curva de flujo estacionario a 90°C y 6000 µm para analizar
el comportamiento al cambio de temperatura de la muestra C.A.
129
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