13 emulsiones asfalticas

CUADERNO FIRP S366CCUADERNO FIRP S366C

EMULSIONES ASFALTICASCarlos Luis BRACHO

MODULO DE ENSEÑANZA EN FENOMENOS INTERFACIALES

en español

LABORATORIO DE FORMULACION, INTERFASESREOLOGIA Y PROCESOS

Mérida-VenezuelaVersión # 2 (2005)

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

EMULSIONES ASFALTICAS

Contenido

1. ¿QUÉ ES UNA EMULSION ASFALTICA? 1

2. COMPONENTES DE UNA EMULSION ASFALTICA 1

3. CLASIFICACION DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 8

4. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ROMPIMIENTO 13

5. PROPIEDADES BASICAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 14

6. CONTROL DE CALIDAD DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 18

7. APLICACIONES DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 26

8. VENTAJAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 27

REFERENCIAS 39

Cuaderno FIRP S366C Emulsiones asfálticas 1

1. ¿ QUE ES UNA EMULSION ASFALTICA ?

Los asfaltos provenientes de la refinación del crudo de petróleo, son producidos en una variedad de tipos y grados que van desde sólidos duros y frágiles a líquidos poco viscosos. EL asfalto empleado en pavimentación para poder utilizarlo es necesario fluidificarlo, bien sea calentándolo, diluyéndolo o emulsionándolo. El tercer método gasta menos energía que el calentamiento directo y no produce contaminación ambiental, ya que se evapora agua en lugar del solvente que se utiliza en la dilución -asfaltado en frio- ó el volátil presente en el asfalto a la temperatura de operación -asfaltado en caliente-; constituye lo que denominamos una emulsión asfáltica.

Una emulsión asfáltica consiste en una fina dispersión de partículas de asfalto en agua. Las pequeñas gotas de asfalto se mantiene uniformemente dispersadas en la fase acuosa gracias a la ayuda de un agente emulsificante – surfactante- que al rodear la gota proporciona la repulsión necesaria para conservan la estabilidad del sistema hasta su uso.

2. COMPONENTES DE UNA EMULSION ASFALTICA

Una emulsión asfáltica consiste de tres ingredientes básicos: Asfalto, agua y un surfactante. En algunas ocasiones, la emulsión puede contener otras aditivos, como estabilizantes, mejoradores de recubrimiento, mejoradores de adherencia, o un agente de control de rotura. Los aspectos más importantes, así como las características y/o especificaciones que debe cumplir cada uno de estos componentes en la formulación de la emulsión se detallan a continuación. 2.1. Asfalto 2.1.1 Proveniencia del Asfalto

El asfalto es el elemento básico en la preparación de la emulsión, representado por el cemento asfáltico, el cual constituye entre un 50 y un 75% de la emulsión. Algunas de sus propiedades afectan significativamente la emulsión final, sin embargo, no existe una correlación exacta entre las propiedades del asfalto y la facilidad con que el asfalto pueda ser emulsionado. En efecto, el asfalto es considerado un sistema coloidal complejo de hidrocarburos, en el cual es difícil establecer una distinción clara entre la fase continua y la dispersa. Las primeras experiencias para describir su estructura, fueron desarrolladas por Nellensteyn en 1924, cuyo modelo fue mejorado más tarde por Pfeiffer y Saal en 1940, en base a limitados procedimientos analíticos disponibles en aquellos años.

El modelo adoptado para configurar la estructura del asfalto se denomina modelo micelar , el cual provee de una razonable explicación de dicha estructura, en el cual existen dos fases; una discontinua (aromática) formada por los asfáltenos y una continua que rodea y solubiliza a los asfáltenos, denominada maltenos. Las resinas contenidas en los maltenos son intermediarias en el asfalto, cumpliendo la misión de homogeneizar y compatibilizar a los de otra manera insolubles asfáltenos. Los maltenos y asfaltenos existen como islas flotando en el tercer componente del asfalto, los aceites.


Tabla No. 1 Cuadro comparativo entre los componentes del asfalto

En este mismo sentido, los asfaltos mas utilizados en el mundo hoy en día, son los

derivados de petróleo, los cuales se obtienen por medio de un proceso de destilación industrial del crudo. Representan más del 90 % de la producción total de asfaltos. La mayoría de los petróleos crudos contienen algo de asfalto, a veces casi en su totalidad. Sin embargo, existen algunos crudos, que no contienen asfalto.

En base a la proporción de asfalto que poseen, los petróleos se clasifican en:

Petróleos crudos de base asfáltica. Petróleos crudos de base parafínica. Petróleos crudos de base mixta (contiene parafina y asfalto).

El asfalto procedente de ciertos crudos ricos en parafina no es apto para fines viales,

por cuanto precipita a temperaturas bajas, formando una segunda fase discontinua, lo que da como resultado propiedades indeseables, tal como la pérdida de ductilidad. Con los crudos asfálticos esto no sucede, dada su composición.

El petróleo crudo extraído de los pozos, es sometido a un proceso de destilación en el cual se separan las fracciones livianas como la nafta y kerosene de la base asfáltica mediante la vaporización, fraccionamiento y condensación de las mismas. En consecuencia, el asfalto es obtenido como un producto residual del proceso anterior.

El asfalto es además un material bituminoso pues contiene betún, el cual es un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2). El alquitrán obtenido de la destilación destructiva de un carbón graso, también contiene betún, por lo tanto también es un material bituminoso, pero no debe confundirse con el asfalto, ya que sus propiedades difieren considerablemente. El alquitrán tiene bajo contenido de betún, mientras que el asfalto está compuesto casi enteramente por betún, entre otros compuestos.

El asfalto de petróleo tiene las mismas características de durabilidad que el asfalto natural, pero tiene la importante ventaja adicional de ser refinado hasta una condición uniforme, libre de materias orgánicas y minerales extraños.

El crudo de petróleo es una mezcla de distintos hidrocarburos que incluyen desde gases muy livianos como el metano hasta compuestos semisólidos muy complejos, los componentes del asfalto. Para obtener éste, deben separarse las distintas fracciones del crudo mediante destilación.

ASFALTENOS MALTENOS Compuestos Polares Hidrocarburos Aromáticos

Peso molecular mayor 1.000 Precipitan como sustancias oscuras

por dilución con parafinas de bajo punto de ebullición (pentano-heptano)

No polares Hidrocarburos

Alifáticos más Nafténicos y Aromáticos

Peso molecular hasta 1.000 Medio continuo


Destilación Primaria

Es la primera operación a que se somete el crudo. Consiste en calentar el crudo en hornos tubulares hasta aproximadamente 375 ºC. Los componentes livianos (nafta, kerosén, gas oil), hierven a esta temperatura y se transforman en vapor. La mezcla de vapores y líquido caliente pasa a una columna fraccionadora. El líquido o residuo de destilación primaria se junta todo en el fondo de la columna y de ahí se bombea a otras unidades de la refinería.

Destilación al Vacío

Para separar el fondo de la destilación primaria en una fracción libre de asfaltenos y la otra con el concentrado de ellos, se recurre comúnmente a la destilación al vacío. Difiere de la destilación primaria en que mediante equipos especiales se baja la presión (aumenta el vacío) en la columna fraccionadora, lográndose así que las fracciones pesadas hiervan a menor temperatura que aquella a la que hervían a la presión atmosférica. El producto del fondo de la columna, un residuo asfáltico mas o menos duro a temperatura ambiente, se denomina residuo de vacío. De acuerdo a la cantidad de vacío que se practica en la columna de destilación, se obtendrán distintos cortes de asfaltos que ya pueden ser utilizados como cementos asfálticos.

Desasfaltización con propano o butano

El residuo de vacío obtenido por destilación al vacío, contiene los asfaltenos dispersos en un aceite muy pesado, que a la baja presión (alto vacío) y alta temperatura de la columna de vació, no hierve (no destila). Una forma de separar el aceite de los asfáltenos es disolver (extraer) este aceite en gas licuado de petróleo. El proceso se denomina "desasfaltización" y el aceite muy pesado obtenido, aceite desasfaltizado. Se utiliza como solvente propano o butano líquido, a presión alta y temperaturas relativamente moderadas (70 a 120 ºC). El gas licuado extrae el aceite y queda un residuo semisólido llamado "betumen". Oxidación del Asfalto

Es un proceso químico que altera la composición química del asfalto. El asfalto está constituido por una fina dispersión coloidal de asfaltenos y maltenos. Los maltenos actúan como la fase contínua que dispersa a los asfaltenos. Las propiedades físicas de los asfaltos obtenidos por destilación permiten a los mismos ser dúctiles, maleables y reológicamente aptos para su utilización como materias primas para elaborar productos para el mercado vial. Al "soplar" oxígeno sobre una masa de asfalto en caliente se produce una mayor cantidad de asfaltenos en detrimento de los maltenos, ocasionando así de esta manera una mayor fragilidad, mayor resistencia a las altas temperatura y una variación de las condiciones reológicas iniciales.

2.1.2 Tipos de Asfaltos

Los asfaltos de pavimentación se obtienen por reducción directa y progresiva de los residuos derivados de la destilación de los petróleos crudos, o por precipitación de los asfaltenos mediante solventes especiales. Estos asfaltos se utilizan en la pavimentación


de carreteras y en pistas de aterrizaje de aeropuertos. Las características de los asfaltos obtenidos por destilación al vacío y por precipitación o extracción con solventes son aproximadamente las mismas.

Los asfaltos de impermeabilización, o asfaltos oxidados se producen al hacer

burbujear aire a través del asfalto calentado entre 200 y 300 ºC. La inyección del aire se puede iniciar a una temperatura de 200 ºC, alrededor de la cual tiene lugar la reacción exotérmica, y llegarse hasta el valor adecuado para la oxidación (20 o 30 ºC por debajo del punto de inflamación). Luego de iniciada la oxidación, se ajusta la tasa de aire entre 0.8 a 1.5 m3 normales por tonelada de asfalto para mantener la temperatura dentro de algún límite prefijado. Los asfaltos oxidados se utilizan de manera general en la impermeabilización de techos. Por esta razón, su punto de ablandamiento debe ser tal que soporte las altas temperaturas, ocasionadas por los rayos solares, sin fluidizar. De allí que la característica más importante para este tipo de asfalto sea su punto de ablandamiento.

Los asfaltos diluidos son aquellos que se obtienen por dilución, en línea, de los asfaltos de penetración en caliente con un solvente adecuado. El proceso en línea, además de evitar la evaporación del solvente, hace que la operación se realice de manera más segura.

La mezcla con solventes evita el calentamiento excesivo que debe proporcionarse a un asfalto de pavimentación para proporcionar la fluidez necesaria en las operaciones de cubrimiento. Por este motivo, se suelen diferenciar las operaciones de asfalto en caliente de las de asfalto en frío (cuando se utilizan asfalto diluidos o rebajados). Vale la pena mencionar que luego de evaporarse el solvente, el asfalto debe mostrar las mismas características que tenía antes de su disolución. Al periodo de tiempo necesario para que el asfalto recupere sus propiedades originales se le denomina “tiempo de fraguado”.

A los asfaltos diluidos se les clasifica de acuerdo al tipo de solvente que se utilice en su preparación. De esta manera se tienen: a) los asfaltos de fraguado rápido RC (rapid curing), en los que se utiliza nafta como solvente, b) los de fraguado medio MC (medium curing), donde se emplea kerosene, c) los de fraguado lento SS (slow curing), con base diesel oíl como solvente. Los asfaltos de fraguado rápido se utilizan cuando se requieren periodos muy cortos de fraguado. Los de fraguado medio tienen aplicación en las operaciones donde se requiere un cubrimiento más completo del agregado y una mayor penetración en las hendiduras o porosidades del material pétreo. Los de fraguado lento tienen pocas aplicaciones, normalmente su uso se ha restringido al logro de capas antipolvo y estabilización de arenas.

Debido a lo complejo de su composición, hasta el presente no se ha encontrado una correlación satisfactoria entre las propiedades del asfalto y su facilidad para ser emulsificado. Sin embargo, los asfaltos ricos en asfaltenos y parafinas son difíciles de emulsificar, o de estabilizar si ya han sido emulsificados. Normalmente, se utilizan asfaltos en el rango de penetración 100 a 200, aunque las condiciones climáticas de la obra podrían sugerir asfaltos de mayor o menor dureza. Debido a los problemas de contaminación y de costos inherentes no se justifica el uso de asfaltos rebajados en la elaboración de emulsiones asfálticas. La Figura 1 es un resumen de los diferentes tipos de asfaltos que se obtienen luego del proceso de destilación del crudo.


Figura 1. Tipos de asfaltos derivados de la destilación de crudo

2.1.3 Pruebas a que debe ser sometido un asfalto.

Antes de ser utilizado, el asfalto debe ser sometido a una serie de pruebas que permiten determinar algunas propiedades que debe cumplir para un uso particular. Los diferentes ensayos se agrupan en cinco categorías: Ensayos para medir consistencia

La consistencia se define como el grado de fluidez que tiene un asfalto a una determinada temperatura. El asfalto es una material termoplástico, por lo que su consistencia varia en mayor o menor grado con la temperatura. Si se quiere realizar comparaciones entre ellos, es necesario medir su consistencia a una misma temperatura de condición de carga. Los ensayos más utilizados para medir la consistencia de los cementos asfálticos son los siguientes:

Viscosidad absoluta a 140 ºF (60 ºC) ASTM D-2171 Viscosidad cinemática a 275 ºF (135 ºC) ASTM D-2171 Viscosidad Saybolt Furol ASTM E102-93(2003) Penetracíón a 25 ºC ASTM D-5

Ensayos de durabilidad Los cementos asfálticos sufren un mayor o menor grado de envejecimiento cuando

son mezclados con los agregados en una planta asfáltica en caliente. El envejecimiento continúa durante toda la vida del pavimento por la acción del medio ambiente y otros factores que se discutirán más adelante. Los siguientes ensayos son utilizados para medir de manera más o menos aproximada el envejecimiento de un cemento asfáltico.


Película delgada (TFO) ASTM D-1754

Rolling Thin Film Oven (RTFO) o Pélicula fina rotativa. ASTM D-2872 Ensayos de pureza

Los cementos asfálticos están constituidos casi siempre por betumen puro, el cual por definición es completamente soluble en disulfuro de carbono. Sólo un porcentaje muy pequeño de impurezas está presente en el cemento asfáltico obtenido de refinería. Para determinar el grado de impureza del cemento asfáltico se utiliza el siguiente ensayo:

Solubilidad ASTM D-2042

Ensayos de seguridad

Si el cemento asfáltico es calentado a temperatura altas, se producen vapores que en presencia de alguna chispa se pueden incendiar. Por lo tanto se hace necesario realizar los siguientes ensayos:

Punto de inflamación o Flash Point. Método de la copa Cleveland . ASTM D-92

Otros ensayos

Peso específico Ensayo de ductilidad Ensayo de la mancha

2.1.4. Especificaciones de los Cementos Asfálticos

Arenas (2000) menciona la manera de como evolucionaron las especificaciones del cemento asfáltico. Aparece en 1910 el penetrómetro como el principal medio para medir controlar la consistencia del cemento asfáltico a 25ºC. La Administración Federal de Carreteras (FHWA) desde 1901 y la Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM) desde 1903, han utilizado el ensayo de penetración para controlar la consistencia de los cementos asfálticos.

En 1918, la Administración Federal introdujo el sistema de clasificación por grados de penetración para diferentes condiciones de climas y aplicaciones de ligante asfáltico. La Asociación Americana de Carreteras Oficiales (AASHO) publicó las especificaciones por grados de penetración en el año 1931.

En la década de los sesenta, la FHWA, la ASTM, la AASTHO, la industria y un gran número de estados propusieron clasificar los cementos asfálticos basados en la viscosidad a 60ºC, buscando entre otros los siguientes objetivos: reemplazar el ensayo empírico de penetración por uno más racional como la viscosidad y poder evaluar la consistencia del asfalto en condiciones críticas de servicio, como lo es la temperatura máxima en la superficie del pavimento durante los días más calientes de verano en muchos estados. De allí se desarrollan varios grados de viscosidad de los asfaltos aplicables a distintas condiciones de trabajo.


Para la misma década, cuando se desarrolló la clasificación de los cementos asfálticos

por grados de viscosidad, el departamento de Carreteras de California desarrolló nuevas especificaciones basadas en la viscosidad del asfalto envejecido a través del Ensayo de Película Delgada en Horno Rotatorio (RTOF).

En la Comisión Venezolana de Normas Industriales COVENIN de Carreteras, Mezclas Asfálticas (última revisión aceptada ), se presenta el sistema de clasificación según el grado de viscosidad. En Apéndice A se muestra la tabla de los requerimientos exigidos a los cementos asfálticos para clasificarlos en alguno de los grados de viscosidad a 60º C especificados por la norma ASTM D 3381.

El sistema de clasificación utilizando los grados de viscosidad presenta las siguientes ventajas:

La viscosidad es una propiedad fundamental, algo independiente del tamaño de la muestra y del sistema de ensayo.

Es aplicable a una amplio rango de temperaturas del pavimentos (25 ºC a 60 oC). Se basa en la viscosidad del cemento asfáltico a la temperatura más alta que se

puede presentar en la época de verano, en la superficie del pavimento. Hay una mínima superposición con otros sistemas de medida. Para su determinación se puede utilizar una amplia gama de equipos. La susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos se puede estudiar

fácilmente. Los límites de precisión del ensayo están bien establecidos.

Entre las desventajas de este sistema se clasificación se tiene: El sistema de ensayo es ligeramente más costoso que el de penetrómetro. Es difícil predecir el comportamiento a las temperaturas de servicio baja y media. No es adecuado para controlar el fisuramiento a bajas temperaturas de servicio. El tiempo de ensayo es relativamente largo. La viscosidad del residuo del ensayo TOF puede varia considerablemente para

cementos asfálticos del mismo grado. Por ejemplo, dos asfaltos de grado AC- 20, de origen diferente, pueden tener viscosidades de 3.000 y 10.000 poises después de envejecidos en un ensayo TOF, y comportarse diferentes durante y después de la construcción.

2.2. El Agua

El agua aunque el efecto del agua no ha sido completamente establecido, existen ciertos factores que deben ser tomados en cuenta al momento de preparar una emulsión asfáltica. Como es bien sabido, el agua de suministro nunca es completamente pura. Estas impurezas a menudo se encuentran en la forma de dispersiones coloidales o en solución y afectan en cierto grado la calidad de la emulsión resultante. Por tal motivo, siempre conviene determinar las cantidades y tipos de impurezas que contiene el agua a usar,


especialmente en el caso de la manufactura de emulsiones aniónicas, donde la presencia de sales de calcio y magnesio precipitan los jabones de estos metales.

La dureza del agua no es un factor importante en la preparación de una emulsión

catiónica. Sin embargo, se debería tener cuidado con la presencia del hierro, ya que ésta es la impureza más perjudicial. El hierro puede estar presente en forma de bicarbonatos, si el agua es de pozo o en forma orgánica o coloidal en las aguas superficiales. El problema más frecuente de esta impureza lo constituye la corrosión en las líneas de proceso y en los equipos.

Las soluciones para contrarrestar el problema de la dureza del agua generalmente resultan costosas, ya que conducen a la implementación de alguna de las siguientes alternativas: a) tratamiento del agua para eliminar la dureza, b) variación de la concentración o el tipo de emulsificante a ser empleado en la formulación de la emulsión.

2.3. Agente Emulsivo

El emulsivo se representa por un agente tensoactivo -o surfactante-, que tiene como finalidad mantener las gotitas de asfalto en suspensión estable y controlar el tiempo de rotura. Existen tres tipos de surfactantes que son clasificados según sus características de disociación en el agua: surfactante aniónicos, no-iónicos y catiónicos. El agente emulsivo, empleado en combinación con un asfalto aceptable, agua de buena calidad y adecuados procedimiento mecánicos, es el factor principal en la emulsificación, en estabilidad de la emulsión y en la comportamiento de la aplicación final en la carretera.

Hechas las consideraciones anteriores es evidente entonces, que el agua y el asfalto no se mezclan, por lo tanto es necesario condiciones cuidadosamente controladas, utilizando equipos de alta estabilización y aditivos químicos. Con el objeto de lograr una formulación donde la dispersión sea lo suficientemente estable entre el cemento asfáltico y el agua para ser bombeada, almacenada durante un tiempo prolongado y mezclada.

3. CLASIFICACION DE EMULSIONES ASFALTICAS 3.1. Según su carga eléctrica

Las Emulsiones Asfálticas se clasifican debido a la carga eléctrica que éste le aporta a las partículas de asfalto en tres categorías: aniónicas, catiónicas y no iónicas. Cuando el glóbulo de asfalto por la presencia del emulsificante en su superficie adquiere carga positiva, se dice que la emulsión es Catiónica, es decir, que los iones que recubren los glóbulos son cationes (+) resultantes de la ionización de las moléculas del emulsificante.

Por lo tanto, con un sistema de identificación basado en una ley de electricidad básica - las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen – si se hace pasar una corriente eléctrica entre dos polos ( ánodo y cátodo) sumergidos en la emulsión asfáltica que contiene partículas de asfalto cargadas positivamente, los glóbulos de asfalto se desplazarán hacia el polo negativo o cátodo.


Si por el contrario la carga eléctrica del glóbulo de asfalto es negativa, se estará en presencia de una emulsión Aniónica y al aplicar la prueba los glóbulos se dirigirán hacia el ánodo, terminal positivo. Así mismo existen las emulsiones No iónicas, que son aquellas que no poseen carga alguna, son eléctricamente neutrales y no emigran a polo alguno.

Sobre la base de las consideraciones anteriores, se puede mencionar que se fabrican emulsiones asfáltica de tipo O/W tanto con surfactantes aniónicos (sulfonatos de petróleo, jabones de ácido de origen vegetal o petróleo) como con surfactantes catiónicos (aminas grasas y derivados, alquil amido poliaminas derivados de la lignina o de ácidos resinosos). Usualmente, las emulsiones catiónicas se adaptan a cualquier tipo de relleno, sea de carácter calcáreo o siliceo; por eso se prefieren.

Las emulsiones catiónicas presentan afinidad por los materiales silíceos y agregados graníticos, mientras que las emulsiones aniónicas lo son con materiales de naturaleza calcárea, limos y dolomitas. 3.2. Según su forma de dispersión

Una emulsión es la dispersión de un líquido en forma de glóbulos dentro de otro que

no es miscible con el primero, al conjunto de estos microscópicos glóbulos se denomina fase discontinua o dispersada, y al medio en donde se encuentran dispersos, fase continua o dispersante.

Figura No. 2 Tipos de emulsiones según su forma de dispersión En base a la concentración de cada una de estas fases, existen dos tipos de

emulsiones: emulsión directa ( O/W ) como se muestra en la Figura No. 2, donde la fase hidrocarbonada está dispersa en la parte acuosa y la inversa (W/O) cuando la fase acuosa está dispersa en la parte hidrocarbonada. Es preferible el empleo de las emulsiones O/W por su baja viscosidad a temperatura ambiente y son las empleadas para la construcción de carreteras.


3.3. Según su velocidad de rotura

Una de las clasificaciones de las emulsiones asfálticas se basa en la velocidad con que las gotitas de asfalto coalescen (se juntan restaurando el volumen de cemento asfáltico), relacionada íntimamente con la rapidez con que la emulsión se vuelva inestable y rompa tras entrar en contacto con el agregado.

Cuando la emulsión se vierte sobre agregados pétreos desaparece como tal, el agua se libera y finalmente se evapora, los glóbulos de asfalto se acercan, la atracción molecular llega a ser mayor que el rechazo electrostático dando origen a la unión de los glóbulos entre sí, hasta que finalmente se convierte en una película de asfalto. El fenómeno físico resultante de la evaporación del agua se complementa con otro físico- químico: los iones que cubren el asfalto se combinan con los de la superficie de los agregados.

Cabe destacar que la rotura de una emulsión es un factor decisivo para definir la emulsión a usar en la obra según sea el tipo de tratamiento. La mayor o menor velocidad con que ocurre el proceso de rotura, cuando los glóbulos de asfalto coalescen al entrar en contacto con una sustancia extraña tal como un agregado o la superficie del pavimento, proporcionará otra manera de clasificar las emulsiones.

De esta manera, las emulsiones se clasifican en: emulsiones asfálticas de rotura rápida, o bituminosas rápidas (RS y CRS), las cuales rompen muy rápidamente, es decir, rompe en muy corto tiempo (usualmente algunos minutos) por lo cual se utilizan en trabajos de riego y tratamientos superficiales con agregados pétreos limpios. Tienen escasa o ninguna habilidad para mezclarse con un agregado y mucho menos para mezclar con agregados que contengan finos, puesto que al ponerse en contacto con éstos, el rompimiento es casi de inmediato, por lo tanto el recubrimiento del material pétreo es insuficiente. Hay que tener en cuenta que los materiales finos poseen mayor superficie específica y, por condición propia, aceleran el proceso de rotura. Sólo en algunos casos y mediante ciertos aditivos retardadores en el agua prehumectación es posible utilizarlas en mezclas.

Otra clases de emulsiones , según su velocidad de rotura, son las denominadas de rotura media (MS, HFMS y CMS) y las de rotura lenta (SS y CSS), con las cuales es posible efectuar una amplia gama de mezclas en frío, según el tipo y granulometría del agregado, características de la maquinaria disponible y condiciones climáticas. Las emulsiones de rotura media mezclan bien con agregados gruesos, mientras que las de rotura lenta están diseñadas para mezclar con finos.

Según las especificaciones de la ASTM (American Society for Testing and Materials) y de AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), al momento de identificar una emulsión por sus siglas se tiene que si comienza con la letra C, significa que es catiónica, mientras que si existen ausencia de esta letra, entonces es aniónica.


Las emulsiones también se subdividen adicionalmente según una secuencia de números relacionados con su viscosidad y con la dureza (penetración) del cemento asfáltico base utilizado en su formulación. La “h” incluida en algunos grados significa simplemente que la base asfáltica es más consistente (hard, dura). La “s” significa que la base es más blanda (soft).

Por ejemplo, una emulsión MS-2 es más viscosa que una emulsión MS-1. Las siglas RS-2, significa que es una emulsión aniónica de rotura rápida y de alta viscosidad, con asfalto base blando (penetración entre 100 y 200). El término CSS-1h identifica a una emulsión catiónica de rotura lenta de baja viscosidad y con asfalto base duro. En la Tabla No. 2 se muestran las clasificaciones de los tipos de emulsiones asfálticas tanto catiónicas como aniónicas. Las especificaciones para ambos tipos se pueden consultar en el Apéndice B.

Se han adicionado a las normas A.S.T.M. tres grados de emulsión aniónica de alta flotación y rotura media. Las letras “HF” que preceden algunos de los grados de las emulsiones aniónicas indican alta flotación (high flotation) medida con el ensayo de flotación. Las emulsiones de este tipo tiene características de gel, impartidas por la acción de ciertas sustancias químicas; estas características permiten la formación de una película de asfalto más gruesa alrededor del agregado, impidiendo la separación del asfalto de las partículas del árido. Estos grados de emulsión se usan principalmente para mezclas de planta en caliente y en frío, para sellados y para mezclas en capas de pavimentos.

Tabla No. 2 Clasificación de las Emulsiones Asfálticas

Emulsiones Asfálticas

Aniónicas (ASTM D977, AASHTO

M140)

Emulsiones Asfálticas Catiónicas

(ASTM D2397, AASHTO M208)

RS-1 (RR-1) CRS-1 (CRR-1) RS-2 CRS-2

HFRS-2 - MS-1 (RM-1) -

MS-2 CMS-2 (CRM-2) MS-2h -

HFMS-1 - HFMS-2 - HFMS-2h - HFMS-2s -

SS-1 (RL-1) CSS-1 (CRL-1) SS-1h CSS-1h

Las emulsiones de rotura rápida Qs han sido desarrolladas para lechadas asfálticas (slurry seals). Las emulsiones catiónicas CQs (CRRQS) son ampliamente utilizadas por su versatilidad con un vasto rango de agregados y por sus características de rápida rotura.


A continuación se presentan en la Tabla 3 los usos más frecuentes de las emulsiones:

Tabla No. 3 Usos más frecuentes de las emulsiones

ASTM D977 / AASHTO M208 ASTM D2397 / AASHTO M 140

Tipo de Construcción

RS

-1

RS

-2

HFR

S-2

MS

-1, H

FMS

-1

MS

-2, H

FMS

-2

MS

-2h,

HFM

S-2

h

HFM

S-2

s

SS

-1

SS

-1h

CR

S-1

CR

S-2

CM

S-2

CM

S-2

h

CS

S-1

CS

S-1

h

Mezclas de asfalto y agregados: Mezcla en Planta (en caliente) XA

Mezcla en Planta (en frío)

Granulometría abierta X X X X

Granulometría cerrada X X X X X

Arena X X X X X

Mezclado In-Situ

Granulometría abierta X X X X

Granulometría cerrada X X X X X

Arena X X X X X

Suelo Arenoso X X X X X

Aplicaciones de Asfalto y Agregado

Tratamiento Superficiales (S/M) X X X X X

Sellado con Arena (Sand Seal) X X X X X X

Lechada Asfáltica (Slurry Seal) X X X X X

Micro-aglomerado (Micro-sufac.) XE

Sallado Doble (Sándwich seal) X X X

Capa Seal X X

Aplicaciones de Asfálticas

Riego Pulverizado (Fog Seal) XB XC XC XC XC

Imprimación (Prime coat) XD XD XD XD Riego de Adherencia (Tack Coat) XC XC XC XC Control de Polvo (Dust Palliative) XC XC XC XC Protección con Asfalto (Mulch treta.) XC XC XC XC

Sellado de Fisuras (crack filler) X X X X Mezclas de Mantenimiento

Uso inmediato X X X

Acopio X A Pueden emplearse otros grados que el HFMS- 2h cuando la experiencia demuestre que han tenido un comportamiento satisfactorio B Diluido en agua por el fabricante C Diluido con agua D Mezclado solo para imprimación E El polímero debe incorporarse durante o previamente a la emulsificación


4. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ROMPIMIENTO En el caso de las emulsiones aniónicas, los factores que influyen en la ruptura son: la

evaporación de la fase acuosa, la difusión de ésta y en menor grado a los factores fisicoquímicos y la absorción superficial de una parte del emulsificante en el material pétreo.

En las emulsiones catiónicas la absorción juega un papel importante en la ruptura de la emulsión, debido a que la parte polar ácida y ácidos grasos que efectúan su reacción con el material - lo cual destruye la película protectora- hacen depositar el ligante sobre el agregado, sin importar la presencia de humedad por parte del agregado. Esto mejora la adherencia y permite una mejor distribución del asfalto dentro de la masa de la mezcla; lo que garantiza la apertura de las vías al tránsito en un corto período de tiempo, aumentando el rendimiento de horarios de los equipos. 4.1. Efecto del tipo, calidad y concentración del emulsificante en la rotura de la emulsión.

Para dar una idea del papel que desempeña la cantidad de emulsificante utilizado en la

preparación de una emulsión y la influencia que ejerce en el tiempo de rotura, se plantea el siguiente ejemplo: un emulsificante catiónico, diaminas de ácidos grasos, en un porcentaje de 0.2 a 0.3%, dará origen a emulsiones de rotura rápida, mientras que en dopajes de 0.5 a 0.8% se producen emulsiones de rotura media.

Otro factor que incide en la velocidad de rotura de una emulsión, es el número de grupos ionizables de la especie emulsificante. A medida que ese número se incrementa (por ejemplo al pasar de diaminas a poliaminas) también disminuye la velocidad de rotura, así pues una emulsión elaborada por medio de una diamina es rápida, otra emulsión donde se usa poliamina será media a lenta, según el número de grupos amino. 4.2. Otros factores El contenido de humedad en el agregado al momento del mezclado. La tasa de absorción de agua que presente el agregado utilizado. Un agregado poroso o de textura áspera, acelera el tiempo de rompimiento. Las condiciones climatológicas en el sitio de trabajo (temperatura, humedad atmosférica, velocidad del viento.) La distribución del tamaño del agregado. Las emulsiones utilizadas en mezclas de agregados finos tienden a romper más rápido, por existir mayor superficie específica en el agregado. La composición mineralógica del material puede producir reacciones químicas entre el emulsificante y la superficie del mismo, afectando la velocidad de rompimiento. Suciedad y/o actividad de los finos presentes en el agregado. Bajo equivalente de arena acelerada la velocidad de rompimiento.


Las fuerzas mecánicas originales por el proceso de compactación y paso del tráfico, hasta cierto límite, obligan a la expulsión del agua de los materiales, para completar el proceso de rotura y curado. La intensidad de la carga eléctrica del agregado respecto a la intensidad de la carga emulsificante.

En resumen se puede definir en lo que al fenómeno de rotura se refiere, se puede razonar que el emulsificante es quizás el elemento de primer orden que ejerce influencia en la velocidad de rotura, no es el único, pues existe una serie de factores que están involucrados en la aceleración o retardo del tiempo de rompimiento de una emulsión.

Dichos factores están asociados al agregado con el que se elabora la mezcla, al porcentaje de fino, humedad del material, equivalente de arena, presencia de filler; a factores externos, como la temperatura y humedad ambiental, vientos fuertes, energía de mezclado y a la emulsión en si, pH, distribución del tamaño de los glóbulos de asfalto, la posible presencia de aditivos y fluidificantes, temperatura, etc.

Cabe destacar que la idea principal de utilizar emulsiones en un proyecto vial consiste en adaptar la misma al agregado presente (ya que se aprovecha en los materiales existentes, lo que redunda en economía). Se deben analizar todas las características que pueden afectar el rompimiento de la emulsión empleada, variando la dosificación y la naturaleza del emulsificante, el pH ∗ de la emulsión o incorporando aditivos de distintas naturaleza y funciones.

5. PROPIEDADES BASICAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS

Las emulsiones asfálticas poseen dos tipos de propiedades; las intrínsecas, aquellas propiedades internas naturales de la emulsión y son las mismas que presentan cualquier ligante asfáltico: viscosidad, adhesividad y cohesividad y las que condicionan su comportamiento como ligante en la construcción de pavimentos.

5.1. Propiedades intrínsecas Viscosidad

Se entiendo como viscosidad a la resistencia que desarrolla un líquido al oponerse al movimientos de las partículas que lo conforman o se encuentran en su interior. Esta propiedad resulta de gran interés e importancia al momento de definir una emulsión adecuada para cada tratamiento.

Cuando la emulsión es de baja viscosidad se puede utilizar para hacer riegos de imprimación y en gran parte para estabilizaciones de suelo, mientras que si es de alta viscosidad, será empleada en tratamientos superficiales y en mezclas abiertas, donde se debe garantizar que el material o agregado mineral sea provisto de una película de ligante suficientemente alta en su superficie. La viscosidad es medida en Segundos Saybolt Furol (SFS), según especificaciones y normas norteamericanas A.S.T.M. y A.A.S.H.O. ∗ En las emulsiones aniónicas, el pH usualmente es superior a 10. En las catiónicas, inferior a 7; algunas veces puede estar tan bajo como 1,5.


En una emulsión asfáltica la viscosidad es dependiente de ciertos factores tales como: la temperatura (a mayor temperatura menor viscosidad), el tamaño y granulometría de los glóbulos de asfalto (siendo más viscosa las emulsiones en que las partículas son de tamaño uniforme, a diferencia de las que poseen tamaños bien gradados); dureza del cemento asfáltico de origen (cementos más duros dan como resultados emulsiones menos viscosas que las procedentes de cementos asfálticos más blandos); características del molino utilizando en la dispersión del asfalto en agua; contenido del cemento asfáltico (entre porcentajes de 65% y 70% la viscosidad crece muy rápidamente); naturaleza y cantidad de emulsificante en la emulsión; contenido de fluidificantes en el asfalto base (al agregarle una pequeña cantidad de fluidificantes en asfaltos duros permite disminuir la viscosidad en la emulsión). Adhesividad

La adhesividad que pueda presentar una emulsión asfáltica frente a un agregado o la capacidad de envolver al mismo y mantenerse, esta ligado a una serie de factores directamente involucrados con la naturaleza y características del agregado y de la emulsión utilizada, por lo que resulta una de las propiedades más complejas de ser evaluada.

Los factores relacionados con la emulsión que pueda influenciar en la adhesividad alcanzada entre el agregado y la emulsión son: la naturaleza y cantidad del emulsificante en la emulsión, tipo de asfalto de base utilizado y pH de la emulsión ( valores de pH próximos a 7 proporcionan mejores adhesividades pero menores estabilidades de la emulsión, mientras que valores alejados de 7 proporcionan emulsiones más estables pero adhesividades menores).

Migliacci y Zambrano (1999) en base a lo anterior argumentan que las emulsiones catiónicas poseen mayor y mejor capacidad de adherencia que las emulsiones aniónicas frente a la gran mayoría de los agregados minerales. En las primeras prevalece la reacción físico-química en contacto con la mayor parte de los agregados, aún con los de neto predominio calcáreo, variando en todo caso la velocidad del proceso de un agregado a otro; será más rápido para un árido silíceo que para uno calcáreo. En las emulsiones aniónicas el proceso principal consiste en la evaporación del agua (excepto que los agregados sean netamente calcáreo, lo cual es muy poco frecuente), por lo tanto son más dependientes de las condiciones atmosféricas, exhiben una rotura de notable lentitud y baja adherencia.

Espinal (2003), afirma además que las emulsiones presentan una muy buena adhesividad activa (al momento de mezclarse con el agregado), consecuencia lógica de su fluidez y facilidad de mojar los agregados, al mismo tiempo que una buena adhesividad pasiva (capacidad de mantener la unión asfalto – agregado, sin peligro de desplazamiento del ligante, incluso en presencia de agua y tráfico) principalmente en las emulsiones catiónicas, por la presencia de compuesto tensoactivos en su formulación. Cohesividad

La cohesividad en emulsiones asfálticas es la fuerza aglutinante propia de la mezcla para pavimentación. Como cita textual Vergara (1994) explica el concepto de la cohesividad: “Se puede definir como la resistencia a la rotura en masa de un ligante. En el caso de las emulsiones es inicialmente baja, pero va aumentando a medida que se va


eliminando el agua, de modo que al cabo de un tiempo más o menos breve llega a alcanzar la del asfalto base”.

Lo anterior tiene un principio lógico, ya que al colocar la emulsión en contacto con los agregados pétreos se comienza a separar la fase dispersada de su medio continuo; el agua se evapora y se acercan los glóbulos de asfalto cuando vencen la fuerza de rechazo electrostática existente inicialmente entre ellos por la presencia del emulsificante, produciendo un verdadero cemento entre la película residual de asfalto y el agregado, que en masa se traduce a cohesión, aportando la misma cohesión que la del asfalto base. 5.2. Propiedades que condicionan el comportamiento de las emulsiones al utilizarse como ligante en la construcción de pavimentos.

Además de las características químicas que deben cumplir las emulsiones asfálticas, existen un segundo grupo de características tecnológicas que condicionan su comportamiento y ofrecen una manera de clasificación; las cuales se mencionan a continuación: 5.2.1. Estabilidad en el almacenamiento

Una de las propiedades que debe cumplir la emulsión una vez fabricada es la estabilidad al almacenamiento, conservando sus propiedades y características de formulación. Esta estabilidad se asegura por la repulsión electroestática de los glóbulos de asfalto y esta íntimamente ligada con el pH de la fase acuosa y con la finura de la dispersión (tamaño de los glóbulos). Si se pretende que no se modifiquen sus propiedades originales, las siguientes precauciones deben ser tomadas en cuenta: a) Espumas

Para evitar la formación de espumas en emulsiones asfálticas donde el emulsificante es capaz de formarla, se recomienda no agitar violentamente ni verterla en cascada. Por lo tanto el llenado de depósitos debe hacerse prolongando la tubería hasta unos 20 cm del fondo del tanque. El transporte debe hacerse en cisternas con rompeolas que dividan su interior. b) Natas

La nata es considerada como la película endurecida que se forma en la superficie en contacto con el aire, protegiendo el resto de la emulsión. Para mantenerla es aconsejable el almacenamiento en depósitos cilíndricos, de eje vertical alimentados desde el fondo, ya que si se rompe trae consecuencias negativas en el flujo de la emulsión asfáltica al formarse grumos indeseables que obstruyen las bombas de alimentación y los difusores de riego.

c) Sedimentos

Ocurre cuando los glóbulos de asfalto descienden hasta al fondo y se depositan aumentando la viscosidad en las zonas inferiores del depósito, siendo reversible mientras no se produzca la rotura de la emulsión. Para contrarrestar este fenómeno se recomienda:


utilizar agentes estabilizantes, aumentar la concentración del emulsificante o lograr una mayor finura de dispersión.

d) Mezcla entre emulsiones

No se debe mezclar emulsiones aniónicas con catiónicas, ya que tienden a coagular (romper) por una reacción electroquímica . Si se trata de diluir las emulsiones, deberá tenerse en cuenta que el agua de dilución sea básica para la aniónica o ácida para las catiónicas. Es muy importante la limpieza de los tanques de almacenamiento cuando han contenido emulsiones de distinto tipo. e) Aditivos

Cuando se pretende activar las emulsiones porque no se han comportado bien con un determinado árido, debe hacerse con cautela y conocimiento de los aditivos utilizados (naturaleza y propiedades), ya que estos procedimientos pueden traer consecuencias negativas, al provocar la rotura prematura de la emulsión por la incompatibilidad del activante con el emulsificante. f) Temperatura

A temperaturas comprendidas aproximadamente entre 10 °C y 85 °C las emulsiones

asfálticas son consideradas estables y conservan todas sus propiedades. Por debajo de 10 °C las micelas de asfalto se endurecen excesivamente, aumentando la viscosidad del asfalto residual y por ende su densidad, favoreciendo la sedimentación.

Un aumento de la temperatura incrementa la energía cinética de las moléculas del emulsificante, por lo que fácilmente abandonan los glóbulos de asfalto, disminuyendo la estabilidad de la emulsión. Además de producirse la evaporación del agua se forman natas en la superficie del líquido, las cuales obstruyen las bombas y los difusores de riego.

5.2.2. Estabilidad de la emulsión ante los agregados

La estabilidad de la emulsión ante los agregados está relacionada con la forma de rotura al entrar en contacto con el material pétreos con el que se mezcla, depende tanto del tipo de emulsión como del tipo de agregado. La emulsión más estable son llamadas de rotura lenta y se caracterizan por poderse mezclar con un filler sin romper. Para definir esta propiedad, se utiliza el ensayo de mezclas con cemento para emulsiones aniónicas y mezclas con un filler-silíceo en las catiónicas.

5.2.3. Características del residuo asfáltico

Las características y propiedades del cemento asfáltico condicionan el comportamiento de las emulsiones asfálticas como ligante en la construcción de pavimentos. La viscosidad, la presencia de fluidificantes (en exceso retrasa la cohesión final) y la dureza del asfalto residual pueden considerarse como las de mayor importancia.


6. CONTROL DE CALIDAD DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 6.1. Concepto de control de calidad

Las emulsiones asfálticas deberán cumplir con ciertas especificaciones, por lo que

deben ser controladas por medios de ensayos normalizados para ser utilizadas como materiales en la construcción.

Para determinar las características de una emulsión asfáltica es preciso una correcta interpretación de los resultados de los ensayos de laboratorio. Normalmente los objetivos de los ensayos son:

Proveer datos para los requisitos de las especificaciones. Controlar la calidad y uniformidad del producto durante la elaboración y empleo. Predecir y controlar las propiedades relativas a la manipulación, almacenamiento

y actuación en el campo del material.

Cabe destacar que en las especificaciones de los países productores, especialmente Estados Unidos, se revela una amplia gama de requerimientos; muchos relacionados con las emulsiones elaboradas por productores particulares. Sin embargo, sólo algunos de los ensayos son realizados en el país, para el diseño de mezclas asfálticas en frío utilizando emulsiones asfálticas y agregados pétreos.

A continuación se presenta un resumen de los ensayos realizados en el país para el diseño de mezclas asfálticas en frío, utilizando emulsión y agregados pétreos, sin llegar a especificar el procedimiento de los mismos. Las pruebas de ensayos a los cuales deberá ser sometida la emulsión, para su caracterización se dividen en dos grupos:

6.2. Control de calidad en la fabricación

6.2.1. Tamaño de gota de la emulsión

Para determinar el tamaño de gota de la emulsión se puede utilizar cualquiera de las técnicas apropiadas de medición. Nuestro laboratorio dispone de un equipo de difracción de luz coherente (láser) -Analizador de partículas MALVERN, MASTERSIZER modelo 3600. Su funcionamiento se basa en hacer pasar un haz paralelo de luz coherente monocromática a través de una pequeña zona conteniendo partículas o gotas, donde se forma un patrón de difracción superpuesto a la imagen, mucho más amplio que aquella, el cual pasa a un detector o lente convergente y se ubica en una pantalla en el plano focal de la lente. La luz no difractada forma una imagen en el foco, y la luz difractada forma un conjunto de anillos concéntricos alternativamente blancos y negros llamado patrón de Fraunhofer. En la Figuras N° 3 se muestra una foto del equipo disponible y en la Figura 4 el principio del analizador.

La tabla de resultados que arroja el equipo, permite determinar la distribución log-normal de tamaños de partículas, la cual se representa en una línea recta en el gráfico


Gauss–log, necesitando solo dos valores para definir dicha distribución (por ejemplo el punto medio, y la pendiente de la recta). El equipo también muestra una gráfica (ver Anexo) en la que se observa el punto medio que corresponde al 50% acumulado de la distribución en volumen, y al máximo de frecuencia, o “moda”, denominado D(v,0.5). También muestra el 10% y 90% acumulado de la misma distribución en volumen denominadas D v (0.1) y D v (0.9) respectivamente.

Fig. 3. Malvern mastersizer Fig. 4. Principio de la difracción de luz laser

En cuanto al tamaño medio de la distribución en volumen D[4,3] es mayor que el anterior, y puede ser notablemente diferente si la distribución no es simétrica. En cuanto al tamaño medio de la distribución en superficie D[3,2], llamado también diámetro medio de Sauter, es de importancia cuando se trata de calcular la superficie que puede cubrir la emulsión o la superficie de adsorción de surfactante. Generalmente es menor que el Dv(0.5) y puede ser considerable la diferencia cuando la distribución tiene cola del lado de los pequeños diámetros, produciendo un error considerable en el cálculo del D[3,2].

6.2.2. Determinación del Potencial de Hidrógeno, ASTM D244. El pH es una medida del grado de acidez y alcalinidad de la sustancia analizada; su

valor oscila entre 0 y 14. Las sustancias ácidas poseen un pH menor de 7 y las bases o alcalinas un pH mayor de 7, siendo neutras para un valor igual a 7. Una misma emulsión se comporta de forma diferente según tenga un pH de 4,5 ó de 2,0. La primera tendrá una buena adhesividad, pero su rompimiento será muy rápido; la segunda tendrá una adhesividad dentro de los limites aceptables pero su rompimiento será mucho más lento.

El pH de la emulsión es difícil de determinar, ya que ésta se adhiere a las paredes del vidrio de los electrodos del aparato de medición y los valores obtenidos pueden ser inexactos. La diferencia entre el pH de la emulsión con respecto al pH de la solución jabonosa empleada puede variar entre 0,5 y 0,8. Es decir, una emulsión que presente un pH entre 2,5 a 2,8 la solución jabonosa original debió tener de 2 a 2,3 de pH.


Equipo Potenciómetro con doble escala (una para la banda

ácida y otra para la banda alcalina) y un dispositivo que permita corregir los efectos de la temperatura. El voltímetro del aparato debe de tener una resistencia interna elevada de 10 12 omh, para eliminar los efectos de polarización de los electrodos. Ver Figura No. 5

Electrodo de medición integrado. Varias soluciones de referencia Búfer - diferentes pH Agua destilada, alcohol. Vasos de vidrio con capacidad de 100 y 250 ml.

6.2.3. Residuo por Destilación según designación ASTM D244-92 Esta prueba tiene por objeto determinar las

proporciones de agua y residuo asfáltico que contiene la emulsión. Se puede realizar ensayos con el residuo asfáltico de la emulsión, por ejemplo: penetración, ductilidad, punto de inflamación y punto de ablandamiento, Figura 6.

El objetivo es determinar las proporciones de agua y residuo asfáltico que contiene la emulsión. El residuo de la emulsión puede utilizarse para efectuar las pruebas de penetración, ductilidad y solubilidad en tetracloruro de carbono, además de determinar el grado en que ha sido rebajado el cemento asfáltico, si es el caso.

Equipo

Un alambique cilíndrico de hierro con la forma

y dimensiones mostradas en la norma, Figura 7. Un quemador anular de 101.6 mm de diámetro,

con perforaciones en el contorno interior. Un quemador anular de 52.4 mm de diámetro,

con perforaciones en el contorno interior. Un quemador anular de 50.8 mm de diámetro,

con perforaciones en la parte superior. Un tubo de conexión, una camisa de lámina, un

refrigerante recto con camisa de metal y una probeta graduada.

Un termómetro de inmersión total, de –2 a +300 oC tipo ASTM o similar.

Un mechero tipo Bunsen. Un tamiz U.S. Estándar de aberturas cuadradas de 0.297 mm (No 50).

Figura 5 pH metro con doble escala

Figura 6. Pruebas: penetración, ductilidad, Anillo y Bola.

Figura 7. Equipo utilizado para el ensayo de Destilación


Cálculos:

100200

)(200 21 !""

=WW

R

W1 = Peso de la emulsión, alambique y accesorios, en gr. W2 = Peso final de la emulsión, alambique y accesorios, en gr. R = Porcentaje de residuo de la emulsión.

6.2.4. Residuo por Evaporación ASTM D244 El objeto de esta prueba es determinar el residuo de las emulsiones asfálticas en

porcentaje (%), por medio de evaporación rápida. Según estadísticas, se dice que el residuo así obtenido da resultados de penetración y ductilidad inferiores a los que se logran en el residuo por destilación. Por su fácil ejecución y rapidez en la misma, es el más utilizado para conocer la concentración de la emulsión y realizar cálculos de dosificación en campo.

Equipo 3 Recipiente de 20 cm de diámetro y pared de 5 cm de altura. 3 Agitador de vidrio refractario de 6 mm de diámetro y 20 cm de longitud, con

extremos redondos. Balanza con capacidad de 500 g y 0,1 g de aproximación. Termómetro con escala de 155 a 170oC. Horno eléctrico con temperatura controlable y capaz de mantener a 60 oC. Cálculos

21

21

100

100)(WW

WWR !=

"!=

W1 = Peso del recipiente, agitador y los 100 g de emulsión, en gr. W2 = Peso del recipiente, agitador y el residuo, en gr. R = Porcentaje de residuo de la emulsión.

El valor reportado del residuo por evaporación, deberá ser el promedio de los

resultados obtenidos en tres muestras de emulsión. 6.2.5. Residuo por Evaporación modificado ASTM D244 Este ensayo permite controlar la producción de un molino que produce más de 20 toneladas por hora, siendo necesario conocer inmediatamente los rangos del residuo. Equipo (Figuras 8 y 9 ) Cacerola o recipiente de lámina con una capacidad 1 lt. Agitador de vidrio o metal con extremos redondeados de

6,4 mm de diámetro y 18 cm de longitud. Balanza de 1500 g de capacidad y 0,1 g de

aproximación. Estufa eléctrica o de gas pequeña

Fig. 8 Cacerola y Balanza de 1500 gramos.


Cálculos

100)(

)(

13

14 !"

"=

WW

WWR

W1 = Peso de la Cacerola y agitador, en gr. W2 = Peso de la emulsión, en gr. W3 = Peso de la Cacerola, agitador y emulsión, en gr. W4 = Peso de la Cacerola, agitador y residuo de la

emulsión, en gr. R = Porcentaje de residuo de la emulsión.

6.2.6. Asentamiento o Sedimentación ASTM D244-29/32.

La prueba de sedimentación o asentamiento, nos indica el grado de estabilidad que tienen las emulsiones durante su almacenamiento. Detecta la tendencia de los glóbulos de asfalto a sedimentarse durante el almacenamiento. También sirve como indicador de la calidad de la emulsión. La prueba tiene una duración de cinco días, siendo necesario en obras de gran movilidad realizarla la prueba de estabilidad de almacenamiento, que tiene una duración de 24 horas. Cuando la densidad del asfalto es ligeramente menor que la del agua, debido a solventes adicionales, por diferencia de densidades los glóbulos de asfalto tienden a flotar, presentándose en algunos casos una migración de los mismos hacia la superficie del líquido.

Equipo (Figura 10 )

Dos probetas de 500 ml de capacidad con tapón de corcho o vidrio y con diámetro exterior de 5 + 0.5 cm.

Pipeta de vidrio de 60 ml de capacidad. Equipo requerido para el ensayo de evaporación rápida.

Se debe determinar en cada una de las extracciones el

contenido asfalto residual por evaporación rápida y registrar los resultados.

Cálculos

2%

21 ss

s

RRR

+=

2%

21 ii

i

RRR

+=

%Rs = Promedio del porcentaje del residuo de la parte superior %Ri = Promedio del porcentaje del residuo de la parte inferior %S = %Ri - %Rs < 7%

Fig. 9. Cacerola con emulsión después de la evaporación

Fig. 10 Ensayo de Sedimentación


6.2.7. Sedimentación en 24 horas. ASTM D244 Esta prueba es una variante a la anterior, y aparece en sustitución de la prueba de

sedimentación a 5 días. El procedimiento de la prueba es el mismo, lo único que varía es que la muestra es ensayada en 24 horas y el parámetro de la especificación es diferente. Cálculos

!

%Rs

=Rs1

+ Rs2

2

!

%Ri=Ri1

+ Ri2

2

%Rs = Promedio del porcentaje del residuo de la parte superior %Ri = Promedio del porcentaje del residuo de la parte inferior %S = %Ri - %Rs < 1.0%

6.2.8. Sedimentación en caso de nuevas formulaciones

Si la cantidad de emulsión generada en cada experimento es pequeña, menor al

volumen al especificado en la norma (500 ml), se puede llevar a cabo una prueba de sedimentación colocando una muestra de la emulsión en cilindros graduados. Cada muestra se coloca en un tubo de ensayo de 50 ml, se tapa para evitar evaporación, se rotula y se toman los datos de volumen de emulsión y la fecha y hora de inicio. A un tiempodeterminado, se toma la lectura donde se observa la interfase agua-emulsión. Finalmente, se grafican los datos de altura vs tiempo (ver Figura 11).

6.2.9. Retenido en la malla #20. ASTM D 244-38/41.

Esta prueba sirve como

complemento a la prueba de sedimentación y tiene como propósito determinar cuantitativamente la cantidad de glóbulos de asfalto que pueden no haberse detectado en la prueba de sedimentación y que podría obstruir el equipo de rociado, así como el espesor y la uniformidad de la película de asfalto sobre el agregado.

Adicionalmente el tamaño de los glóbulos indica una buena o mala estabilidad al

permanecer la emulsión almacenada. Los glóbulos de asfalto con tamaños retenidos en la malla Nº 20 indican que la emulsión puede tener tendencia a sedimentarse por lo tanto causar un rompimiento prematuro.

Estabilidad de Emulsiones Asfálticas

Poliram - S

0

10

20

30

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tiempo (días)

Fase A

cu

osa S

ep

arad

a (

%)

2,5 kg/tn3,5 kg/tn5,0 kg/tn7,0 kg/tn10 kg/tn

Fig. 11. Sedimentación de emulsiones obtenidas con Poliram –S.


Equipo

Tamiz circular “U.S. Standard con diámetro de 7.6 cm, de abertura cuadrada de 0.845 mm, (No. 20) con su fondo y tapa.

Probeta de 500 ml y vaso precipitado de 1000 ml. Agua destilada o solución jabonosa. Balanza con capacidad de 2000 g y aproximación de 0.1 g.

Cálculos

5100

500%

2121

20

WWWWR

!="

!=

%R20 = Porcentaje retenido en el tamiz No. 20 6.2.10. Carga eléctrica. ASTM D-244.

La prueba de carga eléctrica se realiza para identificar las emulsiones catiónicas o aniónicas a través de su corriente eléctrica. Se lleva a cabo mediante la inmersión de dos electrodos, uno negativo (cátodo) y otro positivo(cátodo) en una muestra de emulsión, conectado a una fuente controlada de corriente continua. Al final de un período de tiempo especificado, se observan los electrodos para determinar si el cátodo presenta una capa visible de asfalto depositado sobre él, si esto es así, la emulsión se clasifica como catiónica.

Equipo ( Figura 12 )

Un dispositivo que proporcione una corriente eléctrica directa de 12 voltios, provisto de resistencia variable y un miliamperímetro.

Dos electrodos formados cada uno por una placa de acero inoxidable de 101.6 mm por 25.4 mm y 3 mm de espesor. Los electrodos estarán aislados entre sí y sostenidos paralela y rígidamente a una distancia de 12,7 mm (1/2 pulgada).

Vaso precipitado de vidrio, con capacidad 150 ml. Un cronómetro. 6.3. Control de calidad en la aplicación 6.3.1. Viscosidad SAYBOLT-FUROL. ASTM D244-D88.

La viscosidad se define como la resistencia al flujo de un líquido. En el caso de las emulsiones, la prueba se define como una medida de la consistencia de la misma y por lo tanto da una idea de sus posibilidades de aplicación y comportamiento en un caso determinado. Los resultados se reportan en segundos. Por conveniencia y precisión de ensayo, se emplean dos temperaturas de prueba, que cubre el intervalo normal de trabajo: 25°C y 50 C°.

Fig 12. Dispositivo de medición de carga.


Equipo Viscosímetro Saybolt Furol normalizado. Baño de agua con temperatura controlable. Un vaso especial volumétrico de vidrio refractario de 400 ml. Malla de abertura cuadrada U.S. Standard de 0.841 mm (No. 20)

6.3.2. Miscibilidad de las emulsiones con Cemento Portland ASTM D 244 La prueba se aplica a las emulsiones aniónicas y en algunos casos especiales a las

catiónicas con la finalidad de conocer la estabilidad de la emulsión al mezclarse con un material tan fino como el cemento. El ensayo consiste en medir el porcentaje de grumos que se obtienen cuando la emulsión pierde estabilidad al mezclarse con el cemento. Por consiguiente, el valor (% con respecto a la cantidad de emulsión de prueba, 100 g) es un indicativo de el elevado grado de estabilidad química de algunas emulsiones de rotura lenta. Muy pocos emulsificantes son capaces de generar emulsiones que pasen este duro ensayo. Equipo

Tamiz circular “U.S. Standard No 80. Tamiz circular “U.S. Standard No 14, con su fondo. Recipiente metálico de fondo redondo y capacidad de 500 ml. Varilla metálica con extremos redondeados y de 1.25 cm de diámetro

aproximadamente. Probeta de vidrio graduada con capacidad de 100 ml. Cemento Pórtland tipo III con una superficie específica mínima de 1900 cm2/ g. Polvo de sílicie de composición química y granulometría definida

6.3.3. Miscibilidad con agua ASTM D 244

Esta prueba tiene como finalidad investigar si las emulsiones de rotura media o lenta

pueden mezclarse con el agua. No es aplicable a emulsiones de rotura rápida. Después de adicionarle agua a la emulsión se procede a agitar la mezcla, se deja la muestra en reposo durante dos horas, luego de ese período de tiempo se examina visualmente para determinar una posible coagulación de los glóbulos de asfalto en la muestra.

Esta prueba es una medida de calidad del producto, además indica si la emulsión es

capaz de mezclarse con agua o ser diluida en ella. A menudo se forma un deposito espeso de emulsión en el fondo del recipiente, si es pequeño, ello significará que la emulsión ha sido apropiadamente formulada y que las partículas en dispersión están en el intervalo del tamaño deseado.

6.3.4. Ensayos de cubrimiento

Para este ensayo, se mezclan las emulsiones con un material de prueba, de tipo silíceo

de cierta granulometría. El material de prueba se subdivide en porciones; a cada muestra


se le agrega cierta cantidad de agua de pre- envuelta para lograr las condiciones adecuadas de humedad que faciliten una mejor manipulación del mezclado de la emulsión con el agregado.

Se añade una cantidad de emulsión determinada y se mezcla el conjunto manualmente en un recipiente, con ayuda de una paleta, hasta que se observe que la emulsión ha sido repartida uniformemente en el material. El material cubierto se extiende en papel periódico por 24 horas, o hasta que se observe que el agua ha sido eliminada por completo. Finalmente, se prepara una briqueta, utilizando un equipo Hubbar Field, para determinar las características de adhesión del asfalto residual con el agregado. Luego de preparada la briqueta, se debe esperar 24 horas para proceder a su ruptura, y de esta manera determinar si su resistencia es la adecuada para el propósito requerido.

Para la preparación de una briqueta, la cantidad mínima de cemento asfáltico que se agrega se calcula a partir de la fórmula de Illinois modificada:

!

P = (0,05 A + 0,1 B + 0,5 C) 85

100

Donde: P= % en peso de asfalto, basado en peso de agregado.

A= % de agregado pasante del tamiz de 1” y retenido en el Nº 8 B= % de agregado pasante del tamiz N° 8 y retenido en el Nº 200 C= % de agregado pasante del tamiz Nº 200

6.3.5. Ensayos de rompimiento

Este ensayo tiene por objeto determinar el tipo de rompimiento de una emulsión (lento, medio o rápido) según la cantidad de cemento que origina la ruptura. Se utiliza un equipo con agitación continua (150 rpm) provisto de un recipiente cilíndrico, con capacidad de 34 g de emulsión, y un agitador de tipo ancla. Se pesa el sistema (recipiente, agitador y emulsión) y luego se adiciona el cemento portland a razón de 0.2 a 0.3 g/s hasta rotura completa, la cantidad de cemento añadida se estima por diferencia de peso. 7. APLICACIONES DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS

El Instituto del Asfalto y la Asociación de Fabricantes de Emulsiones Asfálticas publicaron en forma conjunta un manual básico sobre emulsiones asfálticas. Allí comentan que las emulsiones como tal, fueron desarrolladas por primera vez a comienzos del siglo XX, y su uso fue creciendo de manera re relativamente lenta, limitados por el tipo de emulsión disponible y por la falta de conocimiento sobre su correcta aplicación. Cabe destacar que, por el desarrollo no interrumpido de nuevos tipos y grados, sumando a equipos de construcción y prácticamente mejorados, ofrece ahora una amplia gama de elección. A continuación se presentan los principales usos de las emulsiones asfálticas.


a) Tratamiento Superficial

Riego pulverizado Sellado con arena Lechadas Micro aglomerados Capa seal

b) Reciclado de asfalto c)

Frio in-situ Full depth Caliente in-situ En planta central

d) Otras aplicaciones e)

Estabilización Riegos de liga Bacheo de mantenimiento Paliativos de polvo Riego de imprimación Sellado de fisuras Recubrimiento de protección

8. VENTAJAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS

Las ventajas que proporciona la utilización de emulsiones asfálticas y han contribuido al interés de su uso, son las siguientes:

Las emulsiones asfálticas no requieren la incorporación de un solvente de petróleo para ser líquida, ni tampoco necesitan calentamiento para ser utilizados, por lo tanto contribuyen en el ahorro de energía.

Permite reducir la contaminación, ya que elimina hacia la atmósfera poco o nada de sustancia hidrocarbonadas.

La capacidad de ciertos tipo de emulsiones de recubrir la superficie de agregados húmedos, reduciendo la necesidades de combustible para calentar y secar los agregados.

La disponibilidad de una variedad de tipos de emulsión. Se han desarrollado nuevas formulaciones y técnicas de laboratorio mejoradas con el fin de satisfacer los requerimientos de diseño y construcción.

La posibilidad de utilizar materiales en frío en lugares remotos. La aplicación de emulsiones en manteniendo preventivo de pavimentos,

incrementando la vida útil de pavimentos existentes ligeramente deteriorados.


8.1. Diseño de una mezcla asfáltica en frío densamente gradada con la emulsión elaborada como ligante. Método de la Universidad de Illinois (Marshall Modificado).

Este método fue desarrollado en la Universidad de Illinois (E.E.U.U.) por Michael Darter, Patrick Wilkey, Steven Ahlfield y Richard Wasill, en Febrero de 1978. El método y los criterios de ensayo recomendados son aplicables a mezclas en vía o mezclas en planta, que contenga cualquier grado de emulsión y agregado mineral con gradación densa y tamaño máximos de una pulgada (25 mm), elaboradas a temperatura ambiente.

Este método de diseño para mezclas en frío de emulsión asfáltica- agregados está basada en una investigación adelantada en la Universidad de Illinois, usando el método de diseño de mezclas Marshall modificado y el ensayo de durabilidad húmeda. El método y los criterios de ensayo son aplicables a mezclas que contengan cualquier grado de emulsión asfáltica y agregado mineral con gradación densa y tamaños máximos de 1 pulgada (25 mm) o menos, que se vayan a emplear en capas de base en pavimentos con alto volumen de tráfico y para capas de rodamiento en pavimentos con bajo volumen de tráfico (vías de penetración).

El objetivo del método es proveer una cantidad adecuada de asfalto residual que económicamente estabilice el material granular con el fin de dar resistencia o estabilidad requerida para soportar las aplicaciones de carga repetidas (Compresión y Flexión) sin una deformación permanente excesiva o rotura por fatiga y volver la mezcla suficientemente resistente a los efectos de cambio de humedad.

Se recomienda este diseño para mezclas en vía o en planta preparadas a temperatura ambiente. El procedimiento intenta simular lo más aproximadamente posible las condiciones reales de campo. Los resultados obtenidos a través de este método son bastantes confiables, sin embargo el nivel de confiabilidad final dependerá de la calidad de los materiales que participan en la mezcla. Para mayor información consulte el apéndice C.

Se propone realizar un diseño de mezcla asfáltica densamente gradada en frío capaz de satisfacer las propiedades de estabilidad, durabilidad, impermeabilidad, flexibilidad, trabajabilidad y economía, que sea resistente a la fatiga y al deslizamiento, para ser utilizado en pavimentos económicos con un alto porcentaje de tráfico pesado y que cumpla con los requisitos establecidos por la A.S.T.M. D 4215 – 87 (1992) de mezclas bituminosas en frío para pavimentación. 8.2. Objetivos del diseño de mezcla.

Una vez establecido el agregado y seleccionado el tipo de emulsión a utilizar, el basamento principal del diseño de mezcla asfáltica ha sido el de unir estos dos elementos en una proporción que han sido consideradas en el diseño, con la finalidad de obtener una mezcla con las siguientes características: Un contenido de asfalto necesario para cubrir el agregado pétreo, alcanzado la

mayor cobertura posible sin excederse ( lo que podría ocasionar exudación e inestabilidad en la mezcla y otros efectos negativos). Asegurando así que al ser


colocada y compactada sobre el pavimento, se obtenga una mezcla durable, con poca permeabilidad y trabazón adecuada de los agregados.

Estabilidad suficiente como para resistir los requisitos impuestos por el tráfico (para pavimento económico con un alto porcentaje de tráfico pesado), sin que existen deformaciones o desplazamientos.

Cantidad de vacíos totales suficientes para evitar exudación y pérdida de estabilidad.

Adecuada trabajabilidad que propicie una buena colocación y excelente compactación, evitando que se produzca una mezcla dura o muy blanda.

8.3. Etapas del diseño 8.3.1. Caracterización y ensayos de calidad al agregado pétreo

Se debe caracterizar el agregado pétreo y establecer su factibilidad para ser utilizado en la mezcla asfáltica mediante la elaboración de ensayos de acuerdo a lo establecido en las especificaciones.

Los ensayos necesarios para la caracterización de los agregados, no serán descritos aquí, ya que aparecen detallados en las Normas ASTM, AASHTO, NLT y en el Manual Visualizado de Ensayos de Agregados, Suelos y Asfalto de FUNDALANAVIAL. En cuanto a la mineralogía de los agregados, deberá conocerse con el fin de determinar el tipo de emulsión a diseñar. Las pruebas de ensayos a las cuales deberán ser sometidos los agregados, para su caracterización son:

Análisis granulométrico:

- Método de Prueba Estándar para el análisis por vía húmeda de agregados finos y gruesos, según el procedimiento descrito en la designación ASTM C117.

- Método de Prueba Estándar para el análisis por cedazo de agregados finos y gruesos, según el procedimiento descrito en las designaciones ASTM C136 y AASHTO T37.

Peso específico y absorción:

- Método de Prueba Estándar para determinar el Peso Unitario Suelto del agregado, de acuerdo al procedimiento descrito en la designación ASTM C40.

- Método de Prueba Estándar para determinar la Gravedad Específica y Absorción del agregado grueso, de acuerdo al procedimiento descrito en las designaciones A.S.T.M. C127 y AASHTO T85.

- Método de Prueba Estándar para determinar la Gravedad Específica y Absorción del agregado fino, de acuerdo al procedimiento descrito en las designaciones A.S.T.M. C128 y AASHTO T84.


Equivalente de arena:

- Método de Prueba Estándar para determinar el valor del Equivalente de Arena en suelos y en agregado fino, de acuerdo al procedimiento descrito en las designaciones A.S.T.M. D2419 y AASHTO T176.

Método de Prueba Estándar para determinar la Resistencia a la Degradación por Abrasión e Impacto de los agregados gruesos: utilizando la Máquina de los Angeles, de acuerdo al procedimiento descrito en las designaciones A.S.T.M. C131 y AASHTO T96.

Método de Prueba Estándar para determinar la Estabilidad de los agregados ante la acción del Sulfato de Sodio o Sulfato de Magnesio: procedimiento descrito en tas designaciones A.S.T.M. C88 y AASHTO T104.

Otros ensayos de calidad

pueden ser exigidos en función del tipo de agregado y tipo de mezcla a producir, tales como:

- % de caras fracturadas. - % de partículas planas y alargadas.

8.3.2. Caracterización y ensayos de calidad de la emulsión asfáltica

Se basa en realizar todos los ensayos correspondientes a la emulsión asfáltica a utilizar en la mezcla, a modo de verificar las características obtenidas en la formulación preparada. Los ensayos de control de calidad más importantes, que se deben realizar a las emulsiones a usar con un determinado árido han sido descritos :

Residuo por evaporación (A.S.T.M. D 244 – 92) Asentamiento (A.S.T.M. D 244) Retenido en malla N°20 (A.S.T.M. D 244) Carga eléctrica (A.S.T.M. D 244) Afinidad con el agregado. Adhesividad modificada (A.S.T.M. D 244)

8.3.3. Cantidad aproximada de emulsión en la mezcla (% C.A. óptimo teórico)

El procedimiento necesario para obtener el porcentaje óptimo de emulsión, se

realizará siguiendo el método propuesto por la Universidad de Illinois y haciendo uso de sus fórmulas. El Porcentaje Óptimo Teórico de Emulsión también puede ser calculado utilizando el Método de Duriez y por el Método de Ensayo C.K.E (Equivalente de Kerosene Centrifugado). Siendo este último muy engorroso, ya que requiere de varios procedimientos laboriosos que conllevan, además, a la utilización de equipos y materiales difíciles de conseguir en cualquier laboratorio. Por lo tanto, a continuación explicaremos los otros dos métodos mencionados:


Método de superficie específica de Duriez Consiste en determinar aproximadamente el área superficial del agregado basado en

su gradación, utilizando un factor de corrección denominado “Modulo de Riqueza”. En primer lugar se calcula la contribución de cada fracción por separado mediante:

!

F.S.E.(m2

kg) =

2.5

(D" d)1/2

Siendo: F.S.E. = Factor de superficie específica del agregado. D = Tamaño máximo del agregado (diámetro mayor, en mm). d = Tamaño mínimo del agregado (diámetro menor, en mm). Ejemplo: Para los agregados que pasan la malla de 3/8” y son retenidos en la malla de ¼”, para determinar el factor de superficie específica, se determina con la siguiente formula:

D = 3/8” = 9.55 mm d = ¼” = 6.38 mm

!

F.S.E.(m2

kg) =

2.5

(9.55" 6.38)1/2= 0.3203m2/kg

Superficie específica del material Pasa 3/8” y retenido en ¼” = F.S.E. x % retenido parcial en ¼”

Para cada fracción del agregado se aplica la ecuación anterior, obteniéndose los respectivos factores de superficie específica, los cuales se multiplican por el porcentaje retenido parcial en el tamiz de abertura menor. Además, la suma de los porcentaje retenidos parciales en cada tamiz es igual a 100%. Por lo tanto, el área final estará dada por la sumatoria de la áreas parciales determinadas para cada fracción y divida entre 100%.

100 x S.E.= FSE1 x %Ret1 + FSE2 x %Ret2 + FSE3 x %Ret3 + ……..

!

S.E =FSE1 x %Ret1 + FSE2 x %Ret2 + FSE3 x %Ret3 + ..

100

Siendo: S.E. = Superficie específica (área total) del conjunto de agregados F.S.E.( ) = Factor de superficie específica de fracción del material. %Ret ( ) = porcentaje de retenido parcial en cada tamiz.

El porcentaje de residuo asfáltico se determina por la siguiente formula:


!

%C.A.=K " S.E."A[ ]1

5

Siendo: %C.A. = Porcentaje de cemento asfáltico teórico en la mezcla, basado en peso del agregado seco. K = Coeficiente o módulo de riqueza que depende de la granulometría del material. S.E. = Superficie específica (área total) del conjunto de agregados A = Factor de corrección por densidad.

El factor A es utilizado únicamente en mezclas abiertas y lechadas asfálticas, para las

demás mezclas se toma el valor de 1. Es una variable que depende del peso específico del agregado y se obtiene mediante la siguiente formula:

PEA !"= 37143.098857.1 Siendo: A = Factor de corrección por densidad. PE = Peso específico del agregado El factor K depende del tipo de granulometría del material, sus valores se reflejan en

la Tabla 4: Tabla No. 4 Valores de K

VALORES DE K MEZCLA NORMA K

AL - 2 4,4 - 4,5 AL - 3 4,5 - 4,8 LECHADA AL - 4 4,9 - 5,1

DENSA 3,7 - 4,0 GRAVA -

EMULSION 2,5 - 2,7 ROD. 3,5 - 3,7 ABIERTA

OTROS. 2,5 - 2,7 ARENA -

EMULSION 3,2

El porcentaje de emulsión en la mezcla se calcula por:

!

%E =%CA

C"100

Siendo: %CA = Porcentaje de cemento asfáltico teórico en la mezcla, basado en peso del agregado seco. C = Concentración de asfalto en la emulsión, en %. %E = Porcentaje de emulsión asfáltica.


Método propuesto por la Universidad de Illinois:

El método original de la Universidad de Illinois presenta la siguiente formula:

0.5C0.1B0.05AE ++= Donde:

E = Porcentaje en peso de emulsión asfáltica, basado en peso de agregado seco. A = Porcentaje de agregado pasante de 3/8” y retenido en #8. B = Porcentaje de agregado pasante del tamiz #8 y retenido en #200. C = Porcentaje del agregado pasante del tamiz #200.

Los valores obtenidos mediante esta fórmula son generalmente altos al compararlos con los resultados reales al final de cada diseño. Por ello el Manual N° 14 del Instituto del Asfalto sobre mezclas en frío plantea la misma formula, pero reduciendo el valor del porcentaje de emulsión en 30%.

0.70.5C)0.1B(0.05AE !++=

Vergara (1994) de acuerdo a experiencias realizadas en Venezuela, utilizando esta

formula en mezclas con agregados procesados, semi-procesados, gravas, arenas y arenas limosas, establece un factor de corrección de la formula original alrededor de 0.85, quedando de la siguiente forma:

0.850.5C)0.1B(0.05AE !++=

En todo caso, los resultados obtenidos por cualquiera de los métodos existentes,

pueden ser ajustados en base a la experiencia con agregados de naturaleza y granulometría similar. Además, se recomienda determinar el porcentaje de emulsión por los dos métodos y utilizar el promedio para considerar ambos procedimientos. 8.3.4. Definición del tipo de emulsión y humedad óptima de mezclado

Para definir el tipo de emulsión a utilizar en el diseño, se lleva a cabo el ensayo de Cobertura. A partir del contenido de asfalto determinado, se combina la emulsión con el agregado seleccionado y se estima visualmente el recubrimiento como un porcentaje del área total. Este ensayo es dependiente del contenido de agua en el agregado antes de mezclarlo, siendo más notable en agregados que contienen un alto porcentaje de material pasante del tamiz No 200, donde insuficiente humedad de premezclado ocasiona un rompimiento prematuro de la emulsión sin permitir un recubrimiento adecuado.

Afectan a la selección el tipo de agregado, el contenido de agua del agregado, gradación y características de los finos, así como también el clima de la región durante el tiempo de construcción, tipo y proceso de mezcla, equipo de construcción y procedimientos de campo; factores estos últimos de importancia que se deben tomar en cuenta durante el período de construcción del pavimento.


Por otra parte, aquellas emulsiones que no desarrollen sobre los agregados un

suficiente cubrimiento no deberán ser utilizadas para realizar mezclas de prueba con los agregados seleccionados para determinar el tipo y grado de emulsión a usar en el proyecto. Equipo de laboratorio requerido Figs 12, 13 14.

Balanza de 5 Kg de capacidad, con precisión + 0.5 gr. Equipo de mezclado, preferiblemente mecánica, capaz

de producir una mezcla intima entre el agregado, el agua y la emulsión.

Un recipiente de mezcla con fondo circular con capacidad de 5 litros.

Horno para mantener temperatura hasta 105 + 5 oC. Cucharas de mezclado, metálicas. Una probeta graduada de 100 ml de capacidad. 8.3.5. Contenido Óptimo de Humedad de Compactación.

En los proyectos de mezclas hay que tomar en cuenta él porcentaje óptimo de agua a

usar en la compactación, ya que su contenido define las propiedades de densificación de las muestras compactadas. A partir del porcentaje óptimo de Humedad de Cobertura se preparan muestras con diferentes contenido de humedad -generalmente se elaboran tres briquetas por cada contenido de humedad en la compactación, comenzando a partir del valor del porcentaje óptimo de compactación y siguiendo de manera decreciente hasta completar el número de muestras.

Seguidamente, las muestras se compactan de acuerdo al procedimiento descrito en "El Método Modificado de Prueba para determinar la Resistencia y Fluencia Plástica de las mezclas bituminosas utilizando el Aparato Marshall. Luego de determinar la

Fig. 14. Agregando la cantidad de emulsión necesaria.

Figura 12. Mezcla del agregado + agua + emulsión.

Figura 13. Muestras con diferentes contenidos de agua de remezclado.


estabilidad para cada una de las briquetas, se prepara un gráfico de estabilidad Marshall Modificado vs % de agua en la compactación. Se seleccionará el máximo valor de estabilidad de la curva obtenida como el óptimo de humedad en la compactación. Este valor debe ser usado en todas las siguientes compactaciones independiente del contenido de cemento asfáltico. 8.3.6. Variación del contenido de asfalto residual

El Contenido de asfalto residual en una muestra agregado-emulsión asfáltica, debe

determinarse a través de una series de ensayos sobre muestras con diferentes contenidos de asfalto. Generalmente son suficiente cinco (5) muestras con una variación de 1% por vez del porcentaje teórico determinado en el punto c), con dos (2) incrementos por encima y dos (2) por debajo del óptimo teórico determinado previamente.

Estas muestras se compactan, se someten a un curado dentro de un molde por 24 horas, se colocan en un horno a una temperatura de 38 °C, y una vez curadas son medidas para determinar su espesor. Este ensayo requiere de la elaboración de treinta (30) briquetas (seis (6) briquetas por cada diferente contenido de asfalto residual, de las cuales quince (15) serán falladas al aire una vez determinada su densidad y quince(15) serán sometidas a un ensayo de inmersión y vacío parcial. 8.3.7. Determinación de las propiedades mecánicas de la mezcla compactada

Es necesario realizar una serie de ensayos y análisis de la mezcla compacta para

completar el diseño de la mezcla:

Gravedad Específica Bulk El método empleado es el ensayo A.S.T.M. D 2726 “ Determinación de la gravedad

específica bulk y la densidad de mezclas asfálticas compactadas usando muestras saturadas y superficialmente secas”.

Es usado solamente con mezclas compactadas densamente gradadas, prácticamente no absorbentes, ya que al determinar el peso de la briqueta en el agua, se requiere que esta absorba la menor cantidad posible de agua.

Ensayo de Estabilidad Modificada y Flujo

Después de determinar la densidad bulk sobre

las briquetas curadas se realizan los ensayos de estabilidad y flujo, utilizando la prensa Marshall, Figura 15, haciendo la corrección por espesor o volumen a cada briqueta. Las briquetas falladas se colocan en el horno para determinar la humedad de la briqueta al momento de fallar. Figura 15 Prensa Marsahll


Ensayo de Estabilidad Sumergida y Flujo Por cada contenido de asfalto residual se elaboran seis 6 briquetas, por lo que tres briquetas son sumergidas totalmente en agua dentro de un vaso desecador y se somete a una presión de vacío constante e igual a 100 mm de Hg, Figura 16, durante una hora, que se disminuye paulatinamente, en una hora adicional, a razón de 25 mm de Hg. cada 15 minutos, hasta llevarla de nuevo a la presión atmosférica. Luego de ensayar todas las briquetas para cada contenido de asfalto residual se determina la pérdida de estabilidad, comparando las estabilidades en las briquetas falladas al aire con las obtenidas en las briquetas falladas luego de inmersión y vacío parcial.

Análisis de Densidad y Vacíos

La Densidad seca bulk de cada briqueta se determina al multiplicar la gravedad específica bulk seca (Gd) por 1000 (densidad del agua a 25 oC). Mientras que para los vacíos es necesario determinar previamente los pesos específicos bulk del agregado en sus fracciones (grueso, fino y filler) mediante los ensayos respectivos y el peso específico del cemento asfáltico. A partir de una serie de ecuaciones, Apéndice B, se determinan los vacíos en la mezcla compactada:

Vacíos totales en la mezcla Vacíos en el agregado mineral (V.A.M.) Vacíos llenos de agua. Vacíos con aire.

Los vacíos son calculados para cada briqueta y cualquier valor que sea mayor del

50% del promedio de las tres muestras no debe ser tomada en cuenta.

Absorción

El cálculo de la absorción de humedad, por parte de la mezcla compactada, se determina al comparar las humedades de las briquetas falladas al aire con las humedades de las briquetas sometidas a inmersión y vacíos parcial, Apéndice C. 8.3.8. Tendencias de las curvas

Calculados los diferentes parámetros mencionados en el punto anterior para las treinta

(30) briquetas (5 contenidos de asfalto residual y 6 briquetas por cada punto), se procede a procesar las siguientes curvas:

Densidad seca bulk (kg/m3) vs Contenido de asfalto residual (%) Estabilidad seca y humedad (lbs) vs Contenido de asfalto residual (%)

Figura 16. Proceso de inmersión a una presión de 100 mm de Hg


Pérdida de estabilidad (%) vs Contenido de asfalto residual (%) Humedad absorbida (%) vs Contenido de asfalto residual (%) Vacíos Totales (%) vs Contenido de asfalto residual (%) Flujo en pulg / 100 vs Contenido de asfalto residual (%)

Las curvas típicas son las expuesta en el Apéndice B, sin embargo dichas curvas donde se grafican las diferentes propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica compactada varían entre tipos de agregados y gradaciones.

En los resultados es común observar lo siguiente:

La estabilidad de las muestras sometidas a inmersión, generalmente revela un máximo para un valor particular de contenido de asfalto residual, mientras que la estabilidad seca generalmente presentará una continua disminución con el incremento del contenido de asfalto. Algunas mezclas pueden presentar un continuo incremento en la estabilidad sumergida al aumentar el residuo asfáltico, lo cual indica un efecto benéfico al adicionar asfalto, sobre la estabilidad sumergida. La pérdida de estabilidad en porcentaje generalmente disminuye al incrementar el contenido de asfalto residual. La densidad bulk seca usualmente alcanza un máximo valor para un contenido particular de asfalto residual.

El porcentaje de humedad absorbida por la mezcla en el ensayo de inmersión disminuye con el incremento del contenido de asfalto residual.

El porcentaje de vacíos totales (aire más humedad) decrece al incrementar el contenido de asfalto residual.

El flujo o deformación de la briqueta al momento de falla, aumenta con el contenido de asfalto residual.

8.3.9. Determinación del contenido de asfalto óptimo

Para el cálculo del contenido de asfalto óptimo se considera las siguientes premisas:

La mezcla compactada debe presentar una adecuada estabilidad cuando se ensaya en condición sumergida, para proveer adecuada resistencia a las cargas del tráfico durante las estaciones de lluvia. El porcentaje de pérdida de estabilidad de la muestra ensayada después de “inmersión” respecto a la prueba en seco, no debe ser excesivo. Un porcentaje de perdida alto indica que la mezcla tiene una alta susceptibilidad a la humedad que puede provocar su desintegración en prematura. Los vacíos totales dentro de la mezcla deben estar dentro de un rango aceptable para evitar deformaciones permanentes. Vacíos muy altos conllevan alta absorción


de humedad y aceleran el proceso de oxidación del asfalto, produciendo el envejecimiento prematuro de la mezcla. Vacíos muy bajos implican exudación en la mezcla.

La absorción de humedad en la mezcla no debe ser excesiva para minimizar el potencial de pérdida de adherencia entre el asfalto residual y el agregado.

El asfalto residual debe suministrar un adecuado recubrimiento del agregado y este recubrimiento debe ser resistente al desprendimiento y abrasión.

Finalmente el contenido óptimo de asfalto residual, será aquel que provea el mayor valor de estabilidad sumergida; siempre que este valor pueda ser ajustado por arriba o por debajo dependiendo de la Densidad Máxima seca Bulk de las briquetas ensayadas en seco, de la absorción de humedad, del % de vacíos totales y del cubrimiento del agregado. El contenido óptimo de asfalto residual deberá cumplir con los criterios de diseño especificados en la Tabla 5.

Cabe destacar que los contenidos de humedad en el mezclado y compactación pueden tener un efecto significativo sobre los anteriores criterios en las mezclas agregado-emulsión, por lo tanto se recomienda usar el mínimo contenido de agua que permite satisfacer la prueba de recubrimiento del agregado por parte del asfalto residual.

Tabla 5. Criterios de diseño Método Marshall Modificado

PROPIEDADES MÍNIMO MÁXIMO ESTABILIDAD A 22 oC (lbs.)

Para bases 500 - Para rodamientos 750 - PORCENTAJE DE PERDIDA DE ESTABILIDAD DESPUÉS DE LA SATURACIÓN E INMERSIÓN AL VACÍO

Para bases - 50 Para rodamientos - 25 PORCENTAJE DE COBRETURA DEL AGREGADO

Para bases 50 - Para rodamientos 75 -

Nota: especificaciones indicadas para carpetas de rodamiento son las exigidas en el Programa de Vialidad Agrícola, convenio M.T.C.-B.I.D.,

año 1.992


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ANEXO: Distribución de tamaños de partículas


Texto: Emulsiones asfálticas Autor: Carlos Luis Bracho Referencia: Cuaderno FIRP S336C Versión #2 (2002) Editado y publicado por: Laboratorio FIRP Escuela de INGENIERIA QUIMICA,

UNIVERSIDAD de Los ANDES Mérida 5101 VENEZUELA

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