EL ASFALTO NATURAL COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIN DE

CARRETERAS

Presentado Por: ROBINSON VILLAMIL ROJAS

UNIVERSIDAD CATLICA DE COLOMBIA ESPECIALIZACIN EN INGENIERA DE PAVIMENTOS

BOGOT D.C. AO 2008

EL ASFALTO NATURAL COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIN DE

CARRETERAS

Presentado Por: ROBINSON VILLAMIL ROJAS

Trabajo realizado para optar al ttulo de Especialista en Ingeniera de Pavimentos

Presentado al Doctor: ALFONSO MONTERO FONSECA

Director Especializacin Ingeniera de Pavimentos

UNIVERSIDAD CATLICA DE COLOMBIA ESPECIALIZACIN EN INGENIERA DE PAVIMENTOS

BOGOT D.C. AO 2008

NOTAS DE ACEPTACIN

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Bogot D.C., Noviembre de 2008

RESUMEN

Las mezclas asflticas naturales, las rocas asflticas y los crudos pesados, representan una alternativa como material de construccin de carreteras, en este documento se podr encontrar el resultado de la investigacin sobre la aplicacin de campo y laboratorio, de ellos; mezclados, puros y como modificante. De las diversas fuentes colombianas se tomaron; los crudos (Cidrales, Vendeyaco y castilla), rocas asflticas de San Alberto y mezclas naturales (Norcacia y San pedro). Los materiales estudiados se caracterizaron, se realiz aplicacin de laboratorio usando roca asfltica de San Alberto, Crudo de Castilla y mezclas asflticas naturales de Norcacia, finalmente para la aplicacin de campo, se construyeron bases estabilizadas de pavimento en los Departamentos de Cundinamarca, con mezclas naturales de San Pedro (6.0 Kilmetros) y en el Departamento del Meta con Crudo de Castilla (14.5 kilmetros), obras hechas durante los aos 2007 y 2008.

SUMMARY

The natural asphalt mixes, rock asphalt and heavy crude oil, representing alternatives as road construction, materials. This document present the results of the investigation about the from field and laboratory application of these products mixed as well as pure and as modifiers. Crude from; Cidrales, Vendeyaco and Castilla, rock asphalt from San Alberto and natural mixtures from Norcacia and San Pedro were taken and characterized in the laboratory. Finally, some stabilized bases were built during 2007 and 2008 in the department of Cundinamarca with natural asphalt mixtures of San Pedro (6.0 kilometers) and with Castilla crude oil (14.5 kilometers) in the department of Meta.

TABLA DE CONTENIDO Pg.

INTRODUCCIN .................................................................................................... 10

1. GENERALIDADES SOBRE LOS ASFALTOS NATURALES ...................... 12

1.1 En el mundo ........................................................................................................ 12 1.2 En Colombia ....................................................................................................... 13 2. ASPECTOS BSICOS DE LA QUMICA DE LAS MEZCLAS ASFLTICAS ........................................................................................................... 20

2.1 Materiales bituminosos ..................................................................................... 20 2.1.1 El cemento asfltico ....................................................................................... 21 2.1.2 Funcin del cemento asfltico ...................................................................... 25 2.1.3 Caractersticas mediadas .............................................................................. 25 2.2 Agregados minerales ........................................................................................ 28 2.2.1 Funciones del agregado mineral .................................................................. 32 2.2.2 Caractersticas medidas ................................................................................ 34 3. CLASIFICACIN DE LOS ASFALTOS NATURALES ................................. 36

3.1. Anlisis de la clasificacin de los asfaltos naturales .................................. 38 3.2 Crudos pesados ................................................................................................ 39 3.2.1 Experiencias sobre el crudo de Castilla ...................................................... 39 3.2.2 Algunas caractersticas medidas en otros crudo. ..................................... 43 3.3 Rocas asflticas, asfaltitas o gilsonitas .......................................................... 45 3.3.1 Experiencias con la asfaltita de San Alberto ............................................ 47 3.4 Asfaltos naturales .............................................................................................. 62 3.4.1 Experiencias sobre el asfalto natural de Norcacia .................................... 62 3.4.2 Mezclas de laboratorio .................................................................................. 66 4. METODOLOGA DE APLICACIN DE LOS ASFALTOS NATURALES 68

4.1 Elementos bsicos ............................................................................................ 68 4.2 Crudos pesados ................................................................................................. 69 4.2.1 Mtodos de diseo ......................................................................................... 69

4.2.2 Procedimiento de uso .................................................................................... 70 4.2.3 Proceso constructivo ...................................................................................... 71 4.3 Asfaltitas .............................................................................................................. 73 4.3.1 Mtodos de diseo ......................................................................................... 74 4.3.2 Procedimientos de uso .................................................................................. 74 4.3.3 Procedimiento constructivo ........................................................................... 75 4.4 Asfaltos naturales .............................................................................................. 75 4.4.1 Mtodos de diseo ......................................................................................... 76 4.4.2 Procedimientos de uso .................................................................................. 77 4.4.3 Procedimiento constructivo ........................................................................... 78 5. ASPECTOS ECONMICOS Y SOCIALES ..................................................... 80

5.1 Evaluacin financiera ........................................................................................ 80 5.2 Evaluacin econmica ...................................................................................... 81 5.2 Evaluacin social ............................................................................................... 82 6. APLICACIN MATERIALES MARGINALES EN VAS DEL DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA Y META ........................................ 83

6.1 Carretera Girardot Cambao .......................................................................... 83 6.2 Carretera el crucero Alto de Navajas .......................................................... 87 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 95

RECOMENDACIONES ......................................................................................... 100

BIBLIOGRAFA ..................................................................................................... 103

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1. Cuencas sedimentarias colombianas. ................................................. 15 Figura 2. Esquema coloidal de Pfeiffer ................................................................. 22 Figura 3. Modelo microestructural Sharp ............................................................. 23 Figura 4. Asfaltita en estado natural .................................................................... 46 Figura 5. Molde y enrase de la mquina de pista .............................................. 52 Figura 6. Equipo de compactacin de la mquina de pista ............................... 53 Figura 7. Cmara con equipo completo de pista ............................................... 53 Figura 8. Calibracin de micrmetro, muestra e inicio del ensayo ................. 54 Figura 9. Recuperacin del material cementante mediante rota vapor ........... 64 Figura 10. Equipo para recuperacin del material ptreo ................................ 65 Figura 11. Mapa del localizacin Va Girardot Cambao ................................. 84 Figura 12. Conformacin del material y adecuacin de las obras de drenaje 85 Figura 13. Asfalto natural antes y despus de ser conformado y compactado ..................................................................................................................................... 85

Figura 14. Aspecto del asfalto natural suelto. ...................................................... 86 Figura 15. Corte de la estructura del pavimento Girardot - Cambao. .............. 86 Figura 16. Base granular de asfalto natural expuesta. ..................................... 87 Figura 17. Mapa El Crucero Alto Navajas, Departamento del Meta. .......... 88 Figura 18. Material existente ................................................................................. 89 Figura 19. Obras de drenaje .................................................................................. 90 Figura 20. Sub-base granular ................................................................................ 90 Figura 21. Proceso constructivo ............................................................................ 91 Figura 22. Aspecto final de la base estabilizada ................................................ 93 Figura 23. Evolucin de la base estabilizada ..................................................... 94

LISTA DE GRFICAS

Pg.

Grfica 1. Variacin de la viscosidad del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita. .......................................................................................... 50 Grfica 2. Variacin de la estabilidad marshall del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita .......................................................................... 51 Grfica 3. Resultados de ensayo de la mquina de pista ................................. 56 Grfica 4. Velocidades medias de deformacin con adicin de asfaltita ........ 61

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 1. Tipos de bitumenes segn su origen ..................................................... 20 Tabla 2. Resultados de anlisis qumicos de los asfaltos colombianos .......... 24 Tabla 3. Rocas sedimentarias abundantes .......................................................... 29 Tabla 4. Clasificacin de los Asfaltos Naturales segn Abraham H. ............... 37 Tabla 5. Clasificacin de los asfaltos naturales segn Fester .......................... 37 Tabla 6. Caractersticas del crudo de castilla. ..................................................... 40 Tabla 7. Caracterizacin del residuo de destilacin del crudo de castilla....... 42 Tabla 8. Comparacin de los valores de ensayo con ensayos sobre el cemento asfltico de Barrancabermeja ................................................................ 43 Tabla 9. Algunas caractersticas medidas en varios crudos. ........................... 44 Tabla 10. Caractersticas de algunos tipos de asfaltitas de la empresa Gilsoil. ..................................................................................................................................... 46

Tabla 11. Variacin de la consistencia del cemento asfltico de barranca con la adicin de asfaltita de San Alberto. ................................................................... 49 Tabla 12. Variacin de la viscosidad del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita. .......................................................................................... 50 Tabla 13. Variacin de la estabilidad Marshall del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita. ......................................................................... 51 Tabla 14. Resultados de ensayo de la mquina de pista .................................. 55 Tabla 15. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de Barrancabermeja ...................................................................................................... 57 Tabla 16. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de barrancabermeja con 2% de asfaltita .................................................................... 58

Tabla 17. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de Barrancabermeja con 4% de asfaltita. .................................................................. 59 Tabla 18. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de Barrancabermeja con 6% de asfaltita ................................................................... 60 Tabla 19. Resultados ensayos de caracterizacin del ligante del asfalto natural de norcacia ................................................................................................... 64 Tabla 20. Granulometra muestras asfalto natural de norcacia ........................ 66 Tabla 21. Resultados de ensayos sobre briquetas de asfalto natural compactadas a diferentes temperaturas .............................................................. 67 Tabla 22. Parmetros en materiales granulares. ............................................... 70 Tabla 23. Parmetros en granulometra segn mezcla. ................................... 71 Tabla 24. Temperaturas de mezcla y compactacin de algunos crudos. ....... 72 Tabla 25. Procedimientos de diseo en asfaltos naturales. .............................. 76 Tabla 26. Indicadores financieros generados en el uso de materiales no convencionales. ........................................................................................................ 81

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INTRODUCCIN

La actividad econmica mundial y la necesidad de ocupar mejores lugares estratgicos a escala comercial, obligan a pases en desarrollo, como en el caso Colombiano, a reducir los costos de produccin en infraestructura, para dar una mayor cobertura a la inversin de los recursos del estado. En este sentido, las carreteras, ocupan un lugar de preponderancia en este tipo de inversiones, de esta forma nace la necesidad de implementar procesos y materiales ms eficientes y menos costosos con los cuales las regiones ms apartadas tengan la oportunidad de acceder a corredores viales pavimentados con los cuales sus costos de produccin se reduzcan y sus productos sean competitivos en los diferentes mercados.

De lo anterior, la investigacin de materiales no convencionales, se constituye como un elemento de crucial importancia para el desarrollo social, las mezclas asflticas naturales, las rocas asflticas y los crudos pesados del petrleo, se encuentran dentro de las fuentes potenciales para su aplicacin.

Por esta razn se plantea la pregunta en que consisten, como se clasifican y de que manera pueden ser empleados los materiales asflticos no convencionales como material de construccin de carreteras?

El desarrollo de esta investigacin est destinado a ofrecerle al lector; en primera instancia, el lmite del conocimiento acerca de estos materiales en nuestro pas, posteriormente, los resultados de las pruebas fsicas, qumicas y reolgicas de mezclas y aplicaciones directas en las que se emplearon y en que medida resultaran viables para su aplicacin en obra.

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Los asfaltos naturales se han usado de diversas formas en algunos lugares del territorio nacional, en proximidades a sus fuentes, con resultados que van de muy buenos a psimos. En la mayora de los casos en forma emprica sin ningn tipo de estudio previo, a pesar de existir alguna bibliografa institucional a este respecto.

El Estado, por intermedio del Instituto Nacional de Vas, cuando exista la Oficina de Investigacin y Desarrollo intent realizar un trabajo serio sobre el tema, pero debido a los altos costos y al recorte del presupuesto del sector, en el ao 1998 1999, el proyecto fue declinado. Sin embargo la inquietud qued latente y se adelantaron algunos estudios posteriores y algunas de las experiencias de ese proceso se plasma en el presente documento gracias a que el autor del mismo form parte del equipo de investigacin que se conform en ese momento.

Esta investigacin tiene como objeto describir el origen de estos materiales, plantear los resultados encontrados en el laboratorio, respecto de la caracterizacin de los materiales, determinacin de cualidades fsicas, qumicas y reolgicas de las mezclas puras, de las mezclas combinadas con agregados vrgenes y la adicin de ellos como aditivos en los procesos de produccin de las mezclas asflticas.

Finalmente y con el objeto de llevar a la prctica toda esta informacin recopilada y los resultados de las pruebas de laboratorio, realizar aplicaciones de campo en obras de pavimentacin, por lo cual la ltima parte de este documento trata de la aplicacin de los asfaltos naturales en obras de pavimentacin para vas de los Departamentos del Meta y Cundinamarca.

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1. GENERALIDADES SOBRE LOS ASFALTOS NATURALES

El trmino asfalto natural, se aplica a todos aquellos materiales, encontrados en la naturaleza, que contienen alguna proporcin de crudos de petrleo en forma slida o lquida. De aqu surge una gran cantidad de fuentes de material que al igual que los crudos sper pesados tienen muy poca aplicacin industrial, y an cuando contienen ciertos porcentajes de solventes su procesamiento costoso, comparado con la baja rentabilidad que podran brindar los productos de refinacin.

1.1 En el mundo

En muchos lugares del mundo se encuentran fuentes de materiales de esta clase y se estn empezando a ver como fuentes potenciales de energticos gracias a la escasez de los crudos de refinacin convencional. Son muy conocidas las minas de arena asfalto de Alberta Canad y las fuentes del Orinoco de Venezuela que se encuentran en bastas extensiones de tierra ocupando muchos tipos de formaciones geolgicas y combinndose con arcillas, arenas, rocas, agua y materia orgnica circundante.

La historia tiene referencia de este material en los textos sagrados como impermeabilizante, el arca de Noe fue recubierta con l. Existen por supuesto grandes depsitos de crudo convencionales en el medio ambiente que han sido acompaados por afloramientos superficiales de asfalto "natural". Los antiguos habitantes de esas zonas emplearon las excelentes propiedades impermeabilizantes, adhesivas y de preservacin que tenia el asfalto y rpidamente dejaban de usar este producto para su disposicin final. Por

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mas de 5.000 aos el asfalto en cada una de sus formas ha sido usado como un impermeabilizante y como agente ligante.

La civilizacin Sumeria en el ao 3.800 AC, emple asfalto natural y se recuerda este como el primer uso de este producto. En Mohenjo Daro, en el valle Indo, existen tanques de agua particularmente bien preservados los cuales datan del 3.800 AC. En las paredes de este tanque, no solamente los bloques de piedra fueron pegados con un asfalto "natural" sino que tambin el centro de las paredes tena "nervios" de asfalto natural.

Este mismo principio se usa actualmente en el diseo de modernos canales y diques. Se cree que Nebuchadnezzar fue un hbil exponente del uso del asfalto debido a que existe la evidencia que l usaba el producto para impermeabilizacin de los techos de sus palacios y como un ingrediente en sus caminos empedrados. El proceso de momificacin usado por los antiguos egipcios tambin testifica las cualidades preservativas del asfalto, aunque es una materia de disputa si se us asfalto en vez de resinas.

1.2 En Colombia

Las fuentes de asfalto natural se encuentran distribuidas por las once (11) grandes cuencas sedimentarias con las que cuenta Colombia que ocupan un rea aproximada de 88.744.800 hectreas, si sabemos que el rea continental colombiana es de 1.141748 km2 y 928.660 km2 de rea martima, es decir de las 207.040.800 hectreas con que dispone el territorio colombiano cerca del 40% corresponde a cuencas sedimentarias en las que

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se pueden encontrar hidrocarburos, en el mapa que se muestra a continuacin se representan las cuencas sedimentarias y las fuentes ms reconocidas de asfaltos naturales:

Cuenca de la Guajira Cuenca Valle Inferior

Cuenca Choco - Pacfico

Cuenca Valle Medio

Cuenca Cordillera Oriental

Cuenca Llanos Orientales

Cuenca Valle inferior

Cuenca Pata

Cuenca Amazonas

Cuenca Putumayo

Cuenca Ranchera - Cesar

Dentro de estas cuencas, encontramos fuentes de asfalto natural en: Santander (Ro Negro, Lebrija, San Vicente y Vlez); Putumayo (Vendeyaco, Cedrales); Boyac (Tuta, Pesca, Tpaga, otros), Cundinamarca (Macheta, La Palma, Yacop), Caquet (Doncella, pavas, las perlas, los cuervos, Puerto Rico, otros); Guaviare (El Capricho), Cesar (San Alberto); Caldas (Norcacia) y Crudos pesados, en castilla, la Gloria, rubiales, Gavn. Estas son solo un ejemplo de las diversas fuentes naturales que se diseminan por la mayor parte de la geografa nacional, se han contabilizado cerca de cuarenta fuentes de asfaltos naturales y varios yacimientos de crudos superpesados.

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Figura 1. Cuencas sedimentarias colombianas.

Fuente: Investigacin sobre asfaltitas. Laboratorio INVIAS. 1989

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Mina de Norcacia (Caldas): La mina se encuentra localizada a 15 kilmetros del Municipio de la Dorada en el Departamento de Caldas, sobre la Carretera que conduce a Medelln por la Va Sonsn, en el sitio denominado la Suiza, estos materiales se vienen explotando y utilizando para la construccin de Vas de acceso del Proyecto Hidroelctrico de Hidromiel. Hasta el ao de 1998 se haban pavimentado con este asfalto aproximadamente 30 Km, con resultados satisfactorios presentando un buen comportamiento estructural de la mezcla de asfalto natural para el soportar el trnsito de vehculos pesados (camiones y tracto mulas), que trabajan en dicho Proyecto.

Mina Las Pavas (Caquet): Localizada en el KM 54 de la Carretera Florencia San Vicente del Cagun, entre Paujil y Doncello. Actualmente se encuentra en explotacin y con ella se han pavimento una longitud mayor a los 400 Km. Su afloramiento est sobre el inicio de la ladera de una zona montaosa, la explotacin se realiza a cielo abierto, el material se deja reposar tres (3) das, segn los contratistas, para su extensin y compactacin que se utiliza la motoniveladora y se compacta con equipo tradicional. De acuerdo con la poblacin el pavimento construido con este material lleva de 20 a 25 aos y por su aspecto se encuentra fisurado generalizado, piel de cocodrilo, abultamientos, desplazamientos de bordes, desprendimientos con oquedades y baches. El mantenimiento que se realiza actualmente, consiste en un parcheo ejecutado con el mismo material.

Mina Los Cuervos (Caquet): localizada en el KM 95 de la Carretera Florencia San Vicente del Cagun, en la Poblacin de Puerto Rico. Actualmente se encuentra en explotacin y con ella se toma material para realizar solamente mantenimiento con parcheos y para pavimentar carreteables de veredas y pueblos Su afloramiento se localiza sobre el inicio

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de la ladera de una zona montaosa. Su explotacin se efecta de manera similar a la mina de las Pavas y la extensin y compactacin del material se realiza tambin con equipos convencionales (motoniveladora y cilindro esttico liso).

Puerto Rico (Caquet): Localizada a la orilla sur del Ro Guayas, a unos seis (6) kilmetros ro arriba de Puerto Rico.

Mina Las perlas (Caquet): Se encuentra ubicada a 17 Km de la va Florencia en zona de montaa, no se ha explotado an pero los afloramientos de asfalto dejan ver que su potencial.

San Antonio(Caquet): Esta situada en el Valle del Ro Orteguaza a 14,5 Km, aguas arriba del Km 5 de la carretera Florencia Puerto Rico. Aunque se ha tenido informacin de su explotacin, esta ha sido de mucha menor importancia.

Mina del Capricho (Guaviare): Esta fuente de asfalto natural est constituida por una arena asfltica ubicada a aproximadamente a 50 Km. de la Capital del Departamento, San Jos del Guaviare, cerca del casero denominado el Capricho y se llega a este por una trocha que va a la vereda El Cristal, de la cantera existente se extrae material para utilizarlo de manera artesanal en arreglo de carreteras.

Mina el Picalojo (Guaviare): Mina explotada de la misma manera y que se encuentra en las cercanas del capricho, a 6 Kilmetros por trocha.

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Mina de pesca (Boyac): La beta de asfaltos naturales esta localizada a 1 kilmetro del Municipio de Pesca en el Departamento de Boyac a cuatro (4) horas de su Capital por la Va Tunja - Sogamoso - Yopal, carretera totalmente pavimentada. Se han realizado pavimentaciones con este material en carreteras de bajo nivel de trfico con resultados desalentadores ya que al poco tiempo de construccin de la capa asfltica, esta se ha levantado y an cuando se han intentado diferentes tcnicas no se logra encontrar buenos resultados.

Mina de San Pedro (Tolma): La Mina de San Pedro, est ubicada a 4 kilmetros de la Carretera que va de Ibagu a Honda en el Antiguo Armero, hoy Campo Santo. Las investigaciones realizadas sobre este material natural, indican una extensin aproximada del rea de beta de aproximadamente 600 hectreas, sobre la formacin Honda, compuesta por conglomerados, con tamaos mximos que oscilan entre 10 y 15 centmetros y presenta gradaciones densas muy homogneas en toda el rea mencionada. Desde hace ms de 10 aos se ha utilizado en la estructura del pavimento, como subbase y base, en espesores entre 10 y 15 cm para vas secundarias como SAN FELIPE-FALAN. Este material se ha empleado en la regin en un radio de aproximadamente 60 KM y actualmente se nos ha informado, que existen programas de pavimentacin en los Municipios de Lrida, Armero, Guayabal, Fresno y Fusagasuga.

Estas son algunas de las fuentes ms conocidas de asfaltos naturales y crudos de petrleo, analizando la distribucin geogrfica de las fuentes tiene cierto impacto macroeconmico en especial para aquellos lugares de la

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geografa colombiana que presentan un difcil acceso, betas como la del Departamento Caquet suministra un potencial de explotacin, produccin y aplicacin a lugares de alta vulnerabilidad econmica y poltica como representa esta regin.

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2. ASPECTOS BSICOS DE LA QUMICA DE LAS MEZCLAS ASFLTICAS

En la elaboracin de una mezcla de concreto asfltico se emplean materiales ptreos de gradacin definida y materiales bituminosos en proporcin relativa a los agregados minerales, tanto los unos como los otros requieren un grado determinado de procesamiento industrial.

2.1 Materiales bituminosos

Los materiales asflticos empleados en construccin de vas proceden de diversas fuentes que pueden ser de origen natural o materiales transformados o industriales. Son tres fuentes las que se pueden destacar:

Tabla 1. Tipos de bitumenes segn su origen

BITUMENES PRODUCTO ORIGEN APLICACIN EN PAVIMENTOS

ALQUITRAN

Destilacin del carbn

Toxico bajo desempeo

BETUN ASFALTOS NATURALES

Lagos Aplicable en ciertos casos Rocas

Arenas

Arcillas

CEMENTOS ASFLTICOS

Destilacin de crudos

Empleo comn

Fuente: Investigacin sobre asfaltitas. Laboratorio INVIAS. 1989.

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Alquitranes productos de la destilacin del carbn y betunes naturales y derivados del petrleo. Los asfaltos naturales se han producido a partir del petrleo por proceso normal de evaporacin de fracciones voltiles, dejando los elementos densos solamente, pueden encontrarse como escurrimientos superficiales en depresiones terrestres, dando origen a lagos de asfalto, tambin aparecen impregnando los poros de algunas rocas, y por fenmenos de metamorfismo se solidifican para formar rocas asflticas, como la gilsonita o asfaltita slida. As tambin se encuentran mezclados con elementos minerales, como pueden ser arenas y arcillas en cantidades variables.

2.1.1 El cemento asfltico Los asfaltos son materiales aglomerantes de color oscuro, constituidos por complejas cadenas de hidrocarburos de alto peso molecular, su comportamiento fsico-qumico lo caracteriza como un fluido coloidal no newtoniano, coloidal debido a que se presentan ncleos de polmeros, con tendencia a condensarse por su afinidad polar, disueltos dentro de una solucin o fase continua de hidrocarburos de inferior masa molecular que mantiene el estado de suspensin coloidal a los primeros. En el esquema coloidal de Pfeiffer, los asfaltenos constituyen las micelas o fase dispersa y los maltenos (aceites y resinas) la fase dispersante. Fig. No.2

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Figura 2. Esquema coloidal de Pfeiffer

Fuente: Len Arenas Lozano Hugo, Tecnologa del Cemento Asfltico, Editorial FAID, Tercera edicin Popayn, 300 Pg. 2003

De lo anterior se presenta una influencia de los componentes del material en el resultado final de sus propiedades, los asfaltenos brindan en aporte mecnico de dureza, las resinas las caractersticas adherentes y los aceites la manejabilidad del mismo.

En el modelo estructural desarrollado por el grupo SHARP se presentan dos fases de la estructura qumica del asfalto, una aromtica conformada por los asfaltenos dentro de un solubilizante: los maltenos, como una fase intermedia se encuentra las resinas que junto con los asfaltenos flotan sobre los aceites.

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Figura 3. Modelo microestructural Sharp

Fuente: Len Arenas Lozano Hugo, Tecnologa del Cemento Asfltico, Editorial FAID, Tercera edicin Popayn, 300 Pg. 2003

Es claro que la disposicin de los polmeros del material se hace ms o menos abierta con la temperatura, como sucede con la mayora de los materiales termoplsticos y en especial los visco elstico con el fro existe la tendencia a compactarse en capas laminares.

El sistema micro estructural est conformado por molculas de naturaleza polar y no polar, siendo las primeras la red fuerte que le da la resistencia relativa, las no polares el comportamiento viscoso del material.

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La caracterizacin qumica del asfalto es desarrollada mediante diversos sistemas analticos; fraccionamiento por precipitacin, por destilacin, cromatografa, anlisis qumico y anlisis de pesos moleculares, todos buscando composiciones en porcentaje de peso de los elementos constitutivos del material. En la actualidad, adicionalmente se emplea, entre otros, el anlisis SARA, en el cual se determinan las cantidades de saturados, aromticos, resinas y asfaltenos. A manera de ejemplo extractamos los cuadros de anlisis de cementos asflticos del Doctor Hugo Len Arenas de su libro Tecnologa del Cemento Asfltico.

Tabla 2. Resultados de anlisis qumicos de los asfaltos colombianos

Tipo de anlisis Compuesto Tipo de cemento asfltico

B/bermeja Cartagena Apiay

ANALISIS SARA

Saturados 23,85 25,37 21,67 Aromticos 32,77 25,67 26,76

Resinas 31,88 36,32 30,47

Asfaltenos 10,83 12,64 21,1

RESONANCIA MAGNTICA

Parafinicos 35,3 36,5 35,7

Naftnicos 35,4 35,8 36,6 Aromticos 29,3 27,7 27,7

ANALISIS ROSTLER Y STERNBERG

Bases nitrigenadas 35,2 28,5 20 Acidafinas I 9,6 18 13

Acidafinas II 27,4 29 25

Saturados 14,6 6,9 15,5 Fuente: Len Arenas Lozano Hugo, Tecnologa del Cemento Asfltico, Editorial FAID, Tercera edicin Popayn, 300 Pg. 2003

Estos parmetros sern tiles en el momento realizar comparaciones entre los cementos asflticos convencionales, los asfaltos naturales y los residuos de destilacin de los mismos, si es el caso.

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2.1.2 Funcin del cemento asfltico

Aprovechando las singulares propiedades del cemento asfltico; impermeabilidad, cohesividad, adherencia y capacidad para resistir esfuerzos instantneos y fluir bajo la accin de cargas permanentes, las funciones que prestan en la estructura del pavimento son:

Permitir la unin y la cohesin entre los agregados minerales para resistir el ataque mecnico del transito

Dar la impermeabilidad necesaria para proteger las capas estructurales del pavimento.

Brindar el confort y la economa a los usuarios de la va.

Su aporte a la durabilidad es fundamental, aparte de ser el agente ligante e impermeabilizante aporta resistencia a la mezcla sobre los efectos abrasivos del trnsito, de la intemperie y la variacin de temperatura ambiental.

La cantidad de asfalto en una mezcla es uno de los factores ms importantes en la calidad del pavimento, en el diseo debe existir un equilibrio tal, que exista el suficiente cementante para cubrir los agregados, conformar los vacos necesarios para el funcionamiento final de la mezcla sin perder la estanqueidad del conjunto.

2.1.3 Caractersticas mediadas

Para determinar la viabilidad del uso de un cemento asfltico se realizan ensayos especficos en bsqueda de sus propiedades fsicas y qumicas as como su comportamiento reolgico.

Caractersticas fsicas

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Al cemento asfltico se le hacen:

Ensayos de penetracin: El cual busca medir la dureza del material para ser penetrado a determinadas temperaturas, nos da un parmetro de consistencia del material. (Norma INV E-706).

Ensayo de punto de ablandamiento: Con este ensayo podemos determinar con alguna precisin la temperatura a la cual el cemento asfltico cambia de estado de slido a lquido (Norma INV E-712).

Punto de inflamacin: Con esta prueba conocemos la temperatura a la cual los solventes del material se inflaman para luego generar combustin, la filosofa de la prueba esta dirigida a la seguridad de manejo en el calentamiento del cemento. (Norma INV E- 708/709).

Viscosidad: Es un conjunto de ensayos que permiten conocer las viscosidades del material a diferentes temperaturas, es tal vez una de las pruebas ms importantes del material, normalmente se realiza a 60C y 135C. (Normas INV E-714 /715).

Ductilidad: Mide la capacidad del cemento para alargarse antes de romperse cuando es estirado desde sus extremos. Normalmente a mayor ductilidad mayor adherencia. (Norma INV E-126).

Desde el punto de vista qumico podemos encontrar procedimientos de anlisis clsicos e instrumental, as:

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Mtodos clsicos de separacin

Fraccionamiento con solventes

Absorcin qumica

Separacin por cromatografa

Separacin por precipitacin qumica

Mtodos instrumentales

Differential seanning colorimetry

FTIR Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier NMR Resonancia magntica nuclear

GPC Cromatografa de gases / espectroscopia en ultravioleta / infrarrojo

PDA Photodio the array detector

Cromatografa combinada en pelcula delgada y detector de ionizacin por llama

La ASTM tiene normalizados solamente dos mtodos el primero de los cuales est descontinuado en el mbito mundial.

Tcnica de extraccin Rostler Stemberg

Tcnica de absorcin Corbeta y Swarbrick

Bsicamente lo que se busca con estos mtodos de anlisis es determinar la composicin interna del cemento asfltico, sus partes integrantes en el

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mbito molecular, su concentracin y naturaleza, como veremos ms adelante.

Reologa

La reologa es el estudio del comportamiento del material al ser solicitado mecnicamente por esfuerzos de carga en el tiempo y como varan las variables fsicas y qumicas de flujo, deformacin, ductilidad, oxidacin y otros

2.2 Agregados minerales

En general se espera que la mayor parte de los agregados minerales encontrados dentro de los mantos asflticos y las fuentes de estos materiales sean de origen sedimentario. Con la geografa colombiana su variabilidad en climas y regiones naturales se presentan diversos tipos de factores fsicos y qumicos que entran a afectar los suelos y las rocas en los procesos de meteorizacin, transporte y depositacin

Es as como tales factores formadores, fsicos y/o qumicos, se presentan como simple fractura mecnica, pero en general el ataque qumico es universal y los procesos que dejan sueltos los cristales crean puntos dbiles implican el ataque ya sea en forma de disoluciones generadas por el agua, oxidaciones en materiales ferrosos e hidratacin que se da en todos los materiales. Los factores biolgicos son importantes en la fijacin de elementos del aire y la creacin de carbonatos, de la misma forma las bacterialas formadoras de sulfatos y xidos de hierro entran a participar en la conformacin mineralgica de los suelos. En general muchos de los procesos tienen lugar en la superficie de la corteza terrestre y dado que los

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afloramientos de los crudos y las fuentes de los materiales estudiados se dan en lugares y momentos coincidentes con estos fenmenos, encontramos todos estos materiales adems del agua y la materia orgnica habitual. En el siguiente cuadro se muestran algunas de los grupos ms comunes de rocas sedimentarias que encontramos combinados con los asfaltos naturales.

Tabla 3. Rocas sedimentarias abundantes

Tipo Mineraloga Qumica Areniscas Cuarzo, feldespato Dominada por el SiO2 (+K, Na, Ca, Al) Pizarras Minerales de la arcilla, cloritas,

carbonatos Al2O3 - SiO2 H2O Calizas Calcita, dolomita CaCO3, MgCO3

Chert Cuarzo, Hematites SiO2 (Cantidades menores de Fe2O3, MnO2)

Fosforita Apatito Fosfato de calcio Arcillas Minerales complejos de la arcilla, Cuarzo, materiales orgnicos Al2O3 - SiO2 H2O

Fuente: Garca Lpez Manuel, Barrios Montoya Julio y Can Barriga Julio. Manual de Estabilidad de Taludes, Geotecnia Vial. INVIAS, Editado Escuela Colombiana de Ingeniera. Bogot, 7998. 340Pg

Un buen porcentaje de los agregados minerales son de naturaleza sedimentaria, pero de igual forma, se encuentran agregados metamrficos y evidentemente rocas gneas. Debido a la naturaleza ssmica de las cordilleras colombianas los eventos volcnicos son comunes en el espacio y en el tiempo con lo que afloran en la superficie lquidos magmticos con temperaturas que van entre los 800 y 1300C, tales materiales pueden enfriarse bruscamente para formar rocas parcialmente vtreas o lentamente para formar rocas cristalinas. En cuanto hace referencia a rocas metamrficas que nacen de procesos tectnicos de presin y temperatura extrema en el interior de la corteza terrestre, de igual forma tienen su

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participacin en alguna medida, en los depsitos combinados con los materiales tratados en este documento, los agregados metamrficos estn representados en los esquistos y rocas con texturas desarrolladas y orientadas perfectamente, por su baja rugosidad no presentan buenas caractersticas de adherencia al ser empleados como material para los concretos asflticos.

En concordancia con el manual de Estabilidad de Taludes del INVIAS, en general podemos encontrar rocas predominantes en las diferentes cordilleras y evidente mente de acuerdo a lo cual los suelos generados en el inpemperismo de las mismas.

Cordillera Oriental:

Macizo de Quetame: rocas metamrficas, en especial esquistos clorticos y filitas

Grupo Cqueza: Cuarcitas, pizarras, calizas y lutitas

Formacin Une: Areniscas duras

Grupo Villeta: Lutitas, arcillositas y limolitas

Formacin Guaduas: Arcillas y lutitas blandas, areniscas poco cementadas

Grupo Guadalupe: Areniscas tiernas, dura y de labor, lutitas y liditas (Planers)

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Cordillera Central:

Rocas gneas: Localizadas hacia el interior, parte central de la cordillera, entre ellas dioritas, cuarzo dioritas y diabasas, existen intrusiones llamadas batolitos (como el Antioqueo y el Ibagu) formados en especial por dioritas. Hay reas extensas cubiertas de cenizas volcnicas y otros materiales piroclsticos.

Rocas metamrficas: En las partes laterales de la cordillera, encajantes de la roca gnea, abundan los esquistos, pizarras, anfibolitas, serpentinas y el mrmol.

Rocas sedimentarias: Son menos frecuentes en esta cordillera.

Cordillera Occidental:

Rocas gneas: Se encuentran en la parte sur hasta poco ms arriba de Popayn.

Rocas metamrficas: Esquistos, cuarcita, sobre todo la parte central, en el grupo Dagua

Rocas Sedimentarias: En especial calizas y areniscas de la parte norte, serranas de San Jernimo y Baudo.1

1 Garca Lpez Manuel, Barrios Montoya Julio y Can Barriga Julio. Manual de Estabilidad de

Taludes, Geotecnia Vial. INVIAS, Editado Escuela Colombiana de Ingeniera. Bogot, 1998. 340Pg.

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En general la mayor parte del territorio colombiano est conformado por una geologa relativamente joven generada por la dinmica de las placas que afectan el movimiento y evolucin del sistema montaoso de los Andes, conformando los plegamientos del mismo. De esta forma se configuran las zonas geolgicas de conformacin del territorio colombiano; Llanos Orientales y amazona con rocas de tipo marino y continental muy antiguas de origen precmbrico, del orden de los 1780 millones de aos, base de la conformacin de gran cantidad de rocas gneas, metamrficas y sedimentarias del territorio, con una gran variedad de material de origen marino especialmente en la Cordillera Oriental. La zona central se encuentra gran cantidad de origen gneo, tanto Cordillera Oriental como Central caracterizada por actividad plutnica y volcnica del Jursico, abundan rocas Metamrficas del Paleozoico, granitos y cuarzos. La zona occidental conformada por basaltos, rocas de composicin piroxeno olivino y lavas con depsitos considerables de minerales de hierro y nquel.

Con lo anterior y la gran actividad tectnica, glacial, lacustre y aluvial conformaron la geomorfologa colombiana como la conocemos actualmente y la naturaleza mineralgica de las diversas cuencas sedimentarias que conforman el gran porcentaje del territorio.

2.2.1 Funciones del agregado mineral

Con el cemento asfltico como material cementante, es claro que la estructura del concreto asfltico sern sus agregados minerales, que caractersticas deben tener en la mezcla final:

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Existe una distribucin, por tamaos, en los agregados minerales que permiten una mezcla final con ptima resistencia. La combinacin de agregado grueso y agregado fino as como de pasa 200 estructuran una retcula adecuada bajo la cual los parmetros de; vacos en la mezcla, deformaciones o flujos, estabilidad o resistencia, duracin, economa de la mezcla y rugosidad son las mejores para una misma mezcla.

El efecto del llamado llenante mineral o pasa 200 es importante en la resistencia final del concreto asfltico resultante.

La forma de los agregados, su dureza y textura son bsicas en la resistencia final de la mezcla; una mezcla con partculas lisas y redondeadas tiene menos resistencia que la misma mezcla con agregados speros y angulosos.

La composicin mineralgica del agregado entra a participar en la afinidad electrnica de los materiales; cemento asfltico y agregados, por lo que la adherencia es menor con minerales, especialmente de origen calizo y volcnico.

Por razones de conford, economa de la mezcla y manejabilidad, el tamao mximo del agregado debe ser limitado, del orden de 3.5 cm de dimetro.

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2.2.2 Caractersticas medidas

Al igual que al asfalto, a los agregados se le realiza toda una serie de ensayos para determinar la posibilidad de uso de los mismos, sus propiedades fsicas, mecnicas y algunas veces qumicas de los mismos, dentro de los ensayos bsicos estn:

Anlisis granulomtrico: Para determinar tamao de partculas de agregados finos y gruesos, se busca verificar el tipo y forma de la gradacin. (Norma INV E-213).

Resistencia al desgaste: Evala la resistencia de los materiales ptreos gruesos a la abrasin mediante algn procedimiento de ataque, se utiliza la mquina de los ngeles en la cual se introducen los agregados, unas esferas de acero de 500 gramos y al rotar el tambor de dicha mquina el agregado es sometido a la abrasin, midiendo finalmente el porcentaje de agregado desprendido en forma de porcentaje. (Norma INV E-218).

Textura: La textura superficial tiene un efecto importante en la durabilidad del concreto resultante, como vimos anteriormente se busca mayor rugosidad sin importar la cantidad adicional de cementante que se emplee. (Norma INV E- 231).

Limites de consistencia: se mide la actividad de la porcin fina de los agregados mediante ensayos de lmites de consistencia con los resultados

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se puede predecir el comportamiento final del conjunto. 8Normas (INV E 125 / 126)

Otros Ensayos realizados sobre los agregados minerales son:

Peso especfico y absorcin de agregados finos y gruesos (Norma INV E 222 / 223); Porcentaje de caras fracturadas (Norma INV E-227); ndice de aplanamiento y alargamiento (Norma INV E 230), otros.

Son muchos los ensayos sobre agregados que van de acuerdo a las circunstancias de uso de las mezclas resultantes, el fin ltimo es la bsqueda en el cumplimiento de las funciones de estos materiales en concordancia con lo descrito en el apartado anterior de este documento.

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3. CLASIFICACIN DE LOS ASFALTOS NATURALES

La clasificacin de los asfaltos naturales esta determinada por el origen del cual viene formado el material, naturalmente como cualquier otro elemento, sometido a intemperismo y la accin geolgica se encuentran varios tipos de estructuracin molecular y composicin qumica. De esta forma se pueden encontrar, asfaltos Nativos, slidos o semislidos, por ejemplo; Puros o casi puros (Crudo del petrleo); Asociados con materia mineral (crudos combinados con agregados) y Asfaltitas duras (Gilsonitas). Se tomarn los crudos pesados como parte de los asfaltos naturales ya que a pesar de que se originan por la explotacin industrializada, se les somete a muy poco o ningn proceso industrial luego de su acopio.

Desde el punto de vista de su evolucin los asfaltos naturales de acuerdo a su gnesis de Abraham los crudos pasaron por; polimerizacin, oxidacin y supuracin antes de convertirse en las diferentes formas de asfaltitas slidas que se conocen actualmente.

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Tabla 4. Clasificacin de los Asfaltos Naturales segn Abraham H.

ORIGEN PROCESOS QUMICOS

ACCIN DE MATERIAL FORMADO

Petrleo Oxidacin Temperatura Crudos Livianos Pesados

Polimerizacin Tiempo Asfaltitas Gilsonita Clase Pinch Grahamita

Condensacin Catalizadores Pirobitmenes asflticos

Eleterita Wurilita Albertita Impsonita

Sulfuracin Presin Esquistos Pirobituminosos

Etapa final

Fuente: Abraham H. , Asphalt and allied substances, Van Nostrand Company Inc, Princeton, New Jersey, USA, Sixth Edition, 1960.

Otra clasificacin de los asfaltos naturales segn Fester, investigador americano, es la siguiente:

Tabla 5. Clasificacin de los asfaltos naturales segn Fester

ORIGEN PROCESOS NATURALES MATERIAL RESULTANTE

Sedimentacin, compactacin de materia orgnica

Petrleo Polimerizacin Asfaltos naturales

Condensacin

Oxidacin

Otros

Esquistos bituminosos

Efectos gneos intensos a travs de agua en estado hipercrtico

Asfaltitas duras

No hay interaccin de oxgeno atmosfrico

Fuente: Fester, G.A. Discution of document Asphalt and alliend substances, Van Nostrand Company Inc, Princeton, New Jersey, USA, Ssixth Edition, 1960, Proc VII R.A.A. 1963

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Cualquiera de los procesos determina exposicin de crudos a grandes temperaturas o presiones que de una forma u otra volatilizaron diferentes porcentajes de solventes creando materiales bituminosos ms densos e incluso petrificados que hoy conocemos como asfaltitas slidas o esquistos pirobituminosos.

En conclusin los materiales asflticos, tipo asfaltitas o asfaltos naturales que se emplean en la industria de la construccin y de los cuales se ha tenido alguna experiencia en Colombia son:

1. Grupo I: Crudos pesados

2. Grupo II: Asfaltos naturales generados por el afloramiento de crudos y que se encuentran mezclados en diversas proporciones con materiales circundantes de las fuentes, agregados, material orgnico y agua.

3. Grupo III: Asfaltos naturales slidos (Asfaltitas), producidas por efectos tectnicos y que tienen muy poco o ningn porcentaje de solventes voltiles.

3.1. Anlisis de la clasificacin de los asfaltos naturales

Teniendo en cuenta la clasificacin propuesta podemos entrar a detallar cada uno de los grupos de asfaltos naturales. Es claro que cualquiera que sea la clase el origen es el mismo, mezcla de sustancias qumicas orgnicas provenientes de plantas o animales microscpicos que vivieron en los mares hace millones de aos, variando solamente las condiciones geolgicas o ambientales a las cuales fueron expuestas en el tiempo.

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De lo anterior se espera que dentro de los materiales, especialmente los que se encuentra an en estado lquido, presenten tres tipos de composiciones; crudos de base parafnica con elevadas cantidades de compuestos sencillos parafnicos y ceras de alto peso molecular, crudos con bases naftnicas con altos contenidos de betn, parafinas e hidrocarburos aromticos, combinaciones de los anteriores y lo que s es claro, elementos qumicos disueltos de diversa ndole, tipo azufre, slice, metales, etc.

3.2 Crudos pesados

Desde hace mucho tiempo se han venido usando indistintamente como material en diferentes etapas de la construccin. Este material es un lquido espeso menos denso que el agua, con una densidad API menor a 202, generalmente presentan una composicin qumica naftnica aun cuando su destilacin genera diversos productos, en la mayora de los casos no puede ser explotados de la mejor manera dada su baja rentabilidad, tenindose que emplear de manera directa con muy poco o ningn proceso industrial. En Colombia los ms conocidos son: Crudo de Castilla; Crudo de Gavn; Crudo de Cedrales, el primero de los cuales fue ha sido el ms estudiado en el pas.

3.2.1 Experiencias sobre el crudo de Castilla

En la siguiente tabla se muestran las principales caractersticas del material en pruebas que se realizaron el Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniera en el ao 1999 y 2000.

2 A.P.I. American Petroleum Institute Densidad o grados A.P.I. definida por A.P.I. = (141.5/PE)

131.5 donde PE es el peso especfico del crudo.

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Tabla 6. Caractersticas del crudo de castilla.

ENSAYO NORMA UNIDAD RESULTADO Gravedad a 15,6C ASTM D 4052 API 11,7 Densidad ASTM D 5002 Kg/m3 988,1 Punto de llama C 61 Punto de ignicin 91 Azufre ASTM D 4294 % m 2,6 Carbn Conradson ASTM D 4530 % m 15,0 Punto de fluidez ASTM D 97 C 6,0 Insolubles n C7 UOP 614 % m 14,1 Viscosidad cinemtica 37,7C ASTM D 445 cSt 3864,0 Viscosidad cinemtica 70C ASTM D 445 cSt 376,0 Viscosidad dinmica 20C Rotovisco Cp 31540,0 Viscosidad dinmica 25C Rotovisco Cp 19030,0 Viscosidad dinmica 30C Rotovisco Cp 10990,0 Viscosidad dinmica 35C Rotovisco Cp 6720,0 Agua y sedimento ASTM D 96 % vol 0,6 Cenizas ASTM D 482 % m 0,1 Punto de inflamacin, vaso TAG abierto ASTM D 1310 C 15,0 Metales UOP 800 Vanadio mg/Kg 400,0 Niquel mg/Kg 96,0 Sodio mg/Kg 21,0 Hierro mg/Kg

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Como indica la tabla, el contenido de metales es relativamente alto, los insolubles en n-C7 y el carbn Condradson, as como asfaltenos tambin lo son, su fluidez es baja, a 6C. Dado que la gravedad API es de 11.7 se clasifica como un crudo pesado, de acuerdo a la ponderacin de ECOPETROL, crudos de densidad API inferior a 18 se definen como naftnicos por lo que el Crudo de Castilla es de naturaleza naftnico intermedio, con algn contenido de ceras. De otra parte el porcentaje de cenizas es bajo, comparado con otros crudos. En ese momento se busc nuevas aplicaciones del material dado que ECOPETROL presentaba grandes volmenes de crudo y muy poca posibilidad de utilizacin del mismo.

Al realizar una destilacin al crudo llegamos a un cemento asfltico con las caractersticas de los crudos convencionales, los resultados de las mediciones de las caractersticas reolgicas del Crudo de Castilla se presentan a continuacin:

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Tabla 7. Caracterizacin del residuo de destilacin del crudo de castilla.

ENSAYO NORMA UNIDAD RESIDUO DE DESTILACIN

Penetracin a 25C, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 71 Punto de reblandecimiento anillo y bola, C E - 712 C 48,4 Punto de fragilidad Gras E - 724 C -15 Punto de inflamacin V/A E - 709 C 235 Ductilidad a 25C E - 702 cm >100 Solubilidad en triloretileno E -713 % 99,9 Contenido de agua E - 704 % 0 Contenido de asfaltenos NLT - 131 % 20 Contenido de parafinas NLT - 345 % 0,7 Viscosidad dinmica a 60C E - 707 Pa s 269 Viscosidad dinmica a 100C " Pa s 3,6 Viscosidad dinmica a 135C " Pa s 0,4 COMPOSICIN QUMICA Saturados ASTM D 4124 % 17,2 Aromticos " % 37,9 Resinas " % 23 Asfaltenos " % 22,1 ENSAYOS RESIDUUO PELICULA FINA Variacin de masa E - 721 % 0,8 Penetracin a 25C, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 59 Variacin punto de reblandecimiento A y B E - 712 C 8,2 Ductilidad a 25C E - 702 cm 60

Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniera en el ao 1999 y 2000.

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Al comparar los resultados de los ensayos con los datos de un cemento asfltico como el de Barrancabermeja encontramos muchas similitudes en sus resultados.

Tabla 8. Comparacin de los valores de ensayo con ensayos sobre el cemento asfltico de Barrancabermeja

ENSAYO NORMA UNIDAD RESIDUO DE DESTILACIN BARRANCA

Penetracin a 25C, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 71 76 Punto de reblandecimiento anillo y bola, C E - 712 C 48,4 47,7 ndice de penetracin E - 724 -0,7 -0,75 Ductilidad a 25C E - 702 cm >100 >100 Punto de inflamacin, vaso Cleveland abierto E - 716 C 235 320 Peso especfico a 25C gr/cm3 1,028 0,998 Viscosidad dinmica a 60C P 4928 1810 Viscosidad cinemtica a 135C c St 428 342 COMPOSICIN QUMICA Saturados ASTM D 4124 % 17,2 23,85 Aromticos " % 37,9 32,77 Resinas " % 23 31,88 Asfaltenos " % 22,1 10,83 ENSAYOS RESIDUUO PELICULA FINA Variacin de masa E - 721 % 1,44 0,25 Penetracin a 25C, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 59 60 Variacin punto de reblandecimiento A y B E - 712 C 8,2 9,7 Viscosidad dinmica a 60C P 24192 2290

Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniera en el ao 1999 y 2000.

3.2.2 Algunas caractersticas medidas en otros crudo.

La tabla de datos que se muestra a continuacin es el resultado de la sntesis de resultados encontrados por la Universidad del Cauca sobre los asfaltos naturales de la regin sur del pas, de la misma forma se muestran los

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ensayos sobre los residuos de destilacin de estos materiales y las pruebas sobre los bitmenes envejecidos, as como su composicin qumica.

Tabla 9. Algunas caractersticas medidas en varios crudos.

Caractersticas Unidades Cedrales Residual cedrales Vendeyaco Castilla

Residual castilla Apiay Cartagena Barranca

Solventes % 8,5 0 17

Densidad relativa Ton/m3 1,088 1064 1,019 988 1.028 1.028 1.008 0.998

Penetracin 25C 1/10 mm 219 82 >400 300 71 70 85 76

Viscosidad a 60C Poises 1032 2687,5 56 4,3 4928 1800 1500 1810

Viscosidad a 135C cSt 256 67 428 300 220 342

Punto ablandamiento C 46 62,2 19,5 36 48,4 48 44,8 47,7

Punto llama C 150 160 61 235 238 240 320

Punto de combustin C 165 190 91

Ductilidad cm 11 100

Envejecidos Penetracin 25C 1/10 mm 46 46 144 49 42 45 49

Penetracin retenida % 56 56 59 60 53 64

Viscosidad a 60C Poises 1166 24192 5500 3769 2290

Punto de ablandamiento C 74,5 74,5 43,3 +8.2 57,7 55 51,8

Perdida de masa % 5,7 5,21 9,9 1.44 0,25 0,965 0,195

Qumica

Saturados % 18,3 15,6 17,2 16.5 18,13 14,61 15,33

Aromticos % 23 33,9 37,9 35.1 36,06 35,62 39,67

Resinas % 33 34,3 23 27.9 27,54 35,5 36,51

Asfaltenos % 25,7 16,2 17,2 20.5 18,27 14,27 8,5

Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniera en el ao 1999 y 2000.

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3.3 Rocas asflticas, asfaltitas o gilsonitas

El segundo grupo de asfaltos naturales, la asfaltita, es un material en estado slido compuesto por hidrocarburos de alto peso molecular, se han producido gracias a efectos gneos intensos sin la inclusin en oxigeno en el proceso, se presenta en la naturaleza en forma de estratos que van de centmetros a decenas de metros de espesor, su punto de fusin es algo variable, dada la condicin slida del material su composicin qumica, es bsicamente asfaltenos es decir compuestos orgnicos de alto peso molecular (103 a 105 UMA), conformados por anillos aromticos que a temperatura ambiente conforman una especie de estructura cristalina plana con inclusin de algunos grnulos de metales como nquel, vanadio, azufre y otros.

En las prcticas realizadas con el material, es supremamente complicado emplearlo como bitumen dentro de la mezcla ya que, de una parte, los puntos de fusin son extremadamente altos y la composicin qumica, como veremos ms adelante, no es la ms adecuada para que nos sirva de ligante bituminoso.

Algunos datos extractados del manual de gilsonita GILSOIL de los Estados Unidos nos muestran de las caractersticas medidas sobre este material as:

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Tabla 10. Caractersticas de algunos tipos de asfaltitas de la empresa Gilsoil.

ASFALTITA RAYA

PESO ESPECFICO

(g/cm3) PUNTO DE

ABLANDAMIENTO (C)

SOLUBILIDAD EN CS2 % CARBENOS %

CARBON FIJO %

Gilsonita Marrn 1,03 - 1,10 110 - 180 98 0 - 0,5 10 - 20 Glase Pinch Negra 1,10 - 1,15 110 - 180 95 0 - 1,0 20 - 30 Grahamita Negra 1,15 - 1,20 180 - 320 45 - 100 0 - 0,8 30 - 50

Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniera en el ao 1999 y 2000.

En esta tabla podemos apreciar la variacin de algunas caractersticas fsicas del material de acuerdo a su grado de metamorfizacin, siendo cada vez mas dura de acuerdo a su punto de ablandamiento.

Figura 4. Asfaltita en estado natural

Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniera en el ao 1999 y 2000.

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3.3.1 Experiencias con la asfaltita de San Alberto

Se tomaron muestras de la fuente de asfaltitas de la Mina de San Alberto en el departamento del Cesar, se midieron algunas de sus propiedades fsicas como:

Raya: Negra

Peso especfico: 1.10 g/cm3

Punto de ablandamiento: 251C

Solubilidad en sulfuro de carbono: 98%

Este tipo de material se ha empleado en Colombia en construccin de tramos experimentales modificando el cemento asfltico en las mezclas, es el caso de la rehabilitacin del tramo Puerta del Hierro Magangue, en la Concesin Buga Tula, dando como resultado mejoras en la estabilidad de las mezclas adicionadas con ella.

Para el caso que nos ocupa, se realizaron varias pruebas de mezclas en diferentes porcentajes de adicin de asfaltita, con el uso de Crudo de Castilla y Cemento Asfltico de Barrancabermeja estos resultados se muestran a continuacin.

Las asfaltitas carecen de una serie de propiedades mnimas, si se tiene en cuenta que la mayor parte de los componentes resinosos y los aceites desaparecieron en los procesos de litificacin del material. Durante la fase de ensayos efectuada sobre las asfaltitas de la Mina de San Alberto en el

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Departamento de Cesar, se pudo verificar su capacidad polar para mantenerse aglomerada sobre s, es decir, la roca sometida a la molienda para luego ser adicionada al cemento asfltico, al cabo de unos das el polvo fino (pasado por el tamiz No. 100) se granulaba formando masas de material medianamente compactas, con el objeto de buscar algn tipo de disolucin entre los solventes del Crudo de Castilla y el polvo de la asfaltita de San Alberto, se realizaron mezclas de los dos materiales tanto en fro como en caliente con 2, 4, 6 y 8% de asfaltita sobre el Crudo y con temperaturas variables desde los 80 a los 150C. No se genero un cambio significativo en las propiedades del crudo, aparte de la evaporacin normal de solventes debido a los cambios de temperatura, el nico valor que present un cambio significativo fue el punto de inflamacin que llego a 315C.

En resumen esta experiencia nos llevo a concluir:

Aumento de consistencia del crudo con el aumento de la adicin de la asfaltita.

Un notorio aumento en el punto de chispa y llama del material crudo.

Tanto en fro como en caliente y luego de pasados varios das la asfaltita formaba los grnulos depositndose en la parte inferior del recipiente.

Las mezclas con materiales granulares y la elaboracin de briquetas de prueba con el material, en ningn caso, no gener la suficiente estabilidad para pensar en realizar algn tipo de diseo ni aplicacin distinta a la que se realiza eventualmente con el Crudo de Castilla convencional.

Posteriormente se realizaron mezclas y se cambi el Crudo de Castilla por Cemento asfltico de Barrancabermeja con una adicin de 4 y 8% de asfaltita

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en forma de polvo pasa por el tamiz No. 100, Los resultados encontrados fueron los siguientes:

Tabla 11. Variacin de la consistencia del cemento asfltico de barranca con la adicin de asfaltita de San Alberto.

Ensayos

Cemento Asfltico

De Barranca Asfaltita

(4%) Asfaltita (8%) Penetracin a 25C (100g 5seg) 1/10 mm 71.0 42 30 Punto de Ablandamiento, C 48.4 56 61 ndice de Penetracin -0.75 -0.30 -0.20 Ductilidad a 25 C, (5 cm/min) cm +100 +100 +100 Viscosidad Dinmica a 60 C (poises) 1.810 5.110 10.950 Solubilidad en Sulfuro de Carbono (%) 99.8 99.8 99.8

Fuente: El autor

Vemos como el material aumenta su dureza de 71 dcimas de milmetros a 42 con 4% y a 30 con 8% de asfaltita, de la misma forma el punto de ablandamiento aumenta, su ndice de penetracin y su viscosidad, de esta forma el comportamiento a cambios de temperatura mejora al mejorar su susceptibilidad trmica, los resultados de estabilidad posteriores nos permiten verificar el aumento de la estabilidad Marshall en la adicin.

La susceptibilidad trmica se determin mediante el ndice de penetracin teniendo en cuenta que el cemento asfltico es el mismo, cambiando simple mente la agregacin en porcentaje de asfaltita.

Se realizaron diseos Marshall con cemento asfltico de Barrancabermeja dando como resultado:

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Tabla 12. Variacin de la viscosidad del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita.

% Asfaltita Viscosidad dinmica a 60C (P)

0 1810 2 2811 4 4356 6 7580

Fuente: El autor.

Grfica 1. Variacin de la viscosidad del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita.

Fuente: El autor

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Tabla 13. Variacin de la estabilidad Marshall del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita.

% Asfaltita Estabilidad Marshall

(Kg) 0 835 2 871 4 933 6 1015

Fuente: El autor

Grfica 2. Variacin de la estabilidad marshall del cemento asfltico de barranca modificado con asfaltita

Fuente: El autor

Se realizaron ensayos de ahuellamiento mediante el uso de la mquina de pista, (Norma INVIAS E-756) preparndose muestras de material con los mismos porcentajes de asfaltita, 0, 2, 4 y 6% respectivamente, molida y pasada por el tamiz No. 100, el procedimiento seguido fue el siguiente:

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1. Mediante los datos encontrados en el ensayo Marshall, peso unitario, se prepararon probetas en los moldes dedicados para tal fin, volumen de 30 x 30 x 5 cm3

Figura 5. Molde y enrase de la mquina de pista

Fuente: El autor

2. La preparacin de los agregados es similar al ensayo Marshall, varan las cantidades debido al tamao del molde, temperaturas de mezcla y compactacin, en funcin de la viscosidad.

3. La mezcla vaciada en el molde (precalentado e instalado en el sitio) es compactada mediante el respectivo dispositivo. En primera instancia 75 segundos, luego se desmonta el collar sustituyndose por dispositivos angulares y se repite el proceso en tres periodos girndolo un total de 360.

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Figura 6. Equipo de compactacin de la mquina de pista

Fuente: El autor

4. las probetas se dejan enfriar de 12 a 24 horas antes de ser ensayadas. 5. Temperatura de ensayo: 60 +/- 1C

6. Presin de contacto de la rueda: 9 +/- 0.25 Kg/cm2

7. La probeta se introduce en la cmara 4 horas antes del ensayo a 60C

Figura 7. Cmara con equipo completo de pista

Fuente: El autor

54

8. Se deja pasar la rueda tres veces para que consiga un asentamiento adecuado, se grada el micrmetro, se pone el cronmetro en ceros, se cierra la cmara da inicio al ensayo, tomando lecturas de acuerdo a lo establecido, 1, 3 y 5 minutos, luego de cinco en cinco hasta completar 45 minutos y finalmente cada 15 hasta los 120 minutos.

9. Con los registros se determinan valores medios de deformacin y se calcula la velocidad de deformacin.

Figura 8. Calibracin de micrmetro, muestra e inicio del ensayo

Fuente: El autor

Bajo este parmetro, los resultados de los ensayos de la mquina de pista fueron los siguientes:

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Tabla 14. Resultados de ensayo de la mquina de pista

Tiempo (min) Resultados finales de velocidad de ahuellamiento para varios % de asfaltita en (/min) (60C)

0 2 4 6 1 150 135 130 125 3 250 240 240 230 5 300 278 276 266 10 320 296 292 282 15 380 325 348 336 20 400 372 368 354 25 480 442 436 422 30 660 608 602 580 35 560 522 516 498 40 380 350 346 334 45 153 141 140 135 60 87 80 79 77 75 67 61 61 58 90 40 37 37 37 105 20 18 17 16 120 20 18 17 16

Fuente: El autor

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Grfica 3. Resultados de ensayo de la mquina de pista

Fuente: El autor

De acuerdo a las Especificaciones Generales de Construccin del Instituto Nacional de Vas, La resistencia a la deformacin plstica, mediante el ensayo de pista de laboratorio (INV E-756), en el intervalo de ciento cinco (105) a ciento veinte (120) minutos no podr ser mayor a 15 m/min, para mezclas empleadas en zonas con temperaturas medias anuales mayores de 24C y 20 m/min, para regiones con temperaturas medias anuales hasta de 24C.

Como vemos la muestra del asfalto proveniente de la Refinera de Barrancabermeja no cumplira para temperaturas mayores de 24C y es t en el lmite de la especificacin para temperaturas menores de 24C.

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Las velocidades medias de deformacin son las siguientes:

Tabla 15. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de Barrancabermeja

Tiempo (min)

Ahuellamiento (1/100 mm)

Ahuellamiento (micras)

Tiempo (min)

Deform. ()

Vel. media de def. (/min)

1 0 0 2 300 150,0 3 30 300 2 500 250,0 5 80 800 5 1500 300,0 10 230 2300 5 1600 320,0 15 390 3900 5 1900 380,0 20 580 5800 5 2000 400,0 25 780 7800 5 2400 480,0 30 1020 10200 5 3300 660,0 35 1350 13500 5 2800 560,0 40 1630 16300 5 1900 380,0 45 1820 18200 15 2300 153,3 60 2050 20500 15 1300 86,7 75 2180 21800 15 1000 66,7 90 2280 22800 15 600 40,0 105 2340 23400 15 300 20,0

Fuente: El autor

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Tabla 16. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de barrancabermeja con 2% de asfaltita

Tiempo (min)

Ahuellamiento (1/100 mm)

Ahuellamiento (micras)

Tiempo (min)

Deform. ()

Vel. media de def. (/min)

1 0 0 2 270 135,0

3 27 270 2 480 240,0

5 75 750 5 1390 278,0

10 214 2140 5 1480 296,0

15 362 3620 5 1760 352,0

20 538 5380 5 1860 372,0

25 724 7240 5 2210 442,0

30 945 9450 5 3040 608,0

35 1249 12490 5 2610 522,0

40 1510 15100 5 1750 350,0

45 1685 16850 15 2120 141,3

60 1897 18970 15 1210 80,7

75 2018 20180 15 920 61,3

90 2110 21100 15 550 36,7

105 2165 21650 15 270 18,0

120 2192 21920 15 300 18,0

Fuente: El autor

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Tabla 17. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de Barrancabermeja con 4% de asfaltita.

Tiempo (min)

Ahuellamiento (1/100 mm)

Ahuellamiento (micras)

Tiempo (min)

Deform. ()

Vel. media de def. (/min)

1 0 0 2 260 130,0 3 26 260 2 480 240,0 5 74 740 5 1380 276,0 10 212 2120 5 1460 292,0 15 358 3580 5 1740 348,0 20 532 5320 5 1840 368,0 25 716 7160 5 2180 436,0 30 934 9340 5 3010 602,0 35 1235 12350 5 2580 516,0 40 1493 14930 5 1730 346,0 45 1666 16660 15 2100 140,0 60 1876 18760 15 1190 79,3 75 1995 19950 15 910 60,7 90 2086 20860 15 560 37,3 105 2142 21420 15 260 17,3 120 2168 21680 15 300 17,3

Fuente: El autor

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Tabla 18. Velocidades medias de deformacin cemento asfltico de Barrancabermeja con 6% de asfaltita

Tiempo (min)

Ahuellamiento (1/100 mm)

Ahuellamiento (micras)

Tiempo (min)

Deform. ()

Vel. media de def. (/min)

1 0 0 2 250 125,0 3 25 250 2 460 230,0 5 71 710 5 1330 266,0 10 204 2040 5 1410 282,0 15 345 3450 5 1680 336,0 20 513 5130 5 1770 354,0 25 690 6900 5 2110 422,0 30 901 9010 5 2900 580,0 35 1191 11910 5 2490 498,0 40 1440 14400 5 1670 334,0 45 1607 16070 15 2030 135,3 60 1810 18100 15 1150 76,7 75 1925 19250 15 870 58,0 90 2012 20120 15 550 36,7 105 2067 20670 15 250 16,7 120 2092 20920 15 300 16,7

Fuente: El autor

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Grfica 4. Velocidades medias de deformacin con adicin de asfaltita

VELOCIDAD DE DEFORMACIN Vs % ASFALTITA

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20

Velo

cid

ad

( /m

in)

0% de asfaltita2% de asfaltita4% de asfaltita6% de asfaltita

Fuente: El autor

En conclusin la adicionar asfaltita slida de la Mina de San Alberto (Cesar), sobre el Cemento asfltico de Barrancabermeja nos gener los siguientes resultados finales:

Aumento en los valores de Estabilidad Marshall

Menor susceptibilidad trmica, mejorando as el desempeo en un rango amplio de condiciones climticas

Menores ahuellamientos medidos en la mquina de pista del INVIAS, con la consiguiente consecuencia de mejorar las condiciones de trabajo para cementos asflticos empleados en climas clidos, es

62

decir tendiendo al lmite de tolerancia de 15 m/min para temperaturas superiores a los 24C.

Una pequea disminucin en la velocidad de deformacin.

Mejor adherencia asfalto-agregado

3.4 Asfaltos naturales

El tercer grupo est constituido por los asfaltos naturales, caracterizados por ser una mezcla de crudo, materiales inertes, materia orgnica y agua en diferentes proporciones, en este caso el crudo es un bitumen que aflor a la superficie a causa de cambios de posicin de los estratos geolgicos debidos al tectonismo y que se mezcl con los materiales circundantes. Es as como se encuentran fuentes de material en diferentes condiciones con porcentajes de crudo que van de muy escasa hasta lagos de asfalto con muy poca contaminacin.

En el laboratorio de INVIAS se realizaron ensayos sobre asfaltos naturales de diversas fuentes, como son; Norcacia (Caldas), Pavas (Caquet) y el de Pesca (Boyac), veamos a continuacin a manera de ejemplo las experiencias sobre los asfaltos naturales.

3.4.1 Experiencias sobre el asfalto natural de Norcacia

El procedimiento realizado sobre el material fue el siguiente:

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Se tomo una muestra a la cual se le realiz una extraccin con la cual se determin el porcentaje de agregado mineral y de crudo de la mezcla natural.

Se realizaron ensayos de granulometra a varias muestras, se tomaron pesos especficos y se clasific el material granular.

Se hicieron unas briquetas de prueba para determinar que consistencia presentaba los especmenes a diferente temperatura, midindose Densidad Bulk, porcentaje de vacos, estabilidad Marshall y flujo.

Se determin la estabilidad remanente de las briquetas

Se adicion cemento asfltico en forma de emulsin para luego medir densidades y resistencias.

Clasificacin del cemento asfltico:

Se realiz recuperacin del material cementante mediante destilacin (Norma INV E-783). Este procedimiento busca extraer el ligante de una mezcla de concreto asfltico para su caracterizacin mediante la disolucin de la misma con el uso de un solvente orgnico de alta concentracin. Para el caso que nos ocupa se empleo dicrorometano a 95%, cuyo punto de ebullicin est entre 39 y 41C, a esta temperatura su toxicidad es bastante elevada por lo que es necesario extremar las medidas de seguridad, la muerte de una persona es generada al inhalar este solvente durante un minuto.

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Figura 9. Recuperacin del material cementante mediante rota vapor

Fuente: El autor

Las caractersticas del cemento asfltico recuperado son las siguientes:

Tabla 19. Resultados ensayos de caracterizacin del ligante del asfalto natural de norcacia

Caracterstica medida Resultados

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Promedio % asfalto 6,43 6,51 6,56 6,50 Penetracin 27 31 36 31,33 P ablandamiento C 53,5 52,6 51,8 52,63 V.S.F.a 135C 124,6 121,2 126,9 124,23 Viscosidad a 60C 4790 4355 4159 4434,67

Fuente: El autor

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Clasificacin de agregados ptreos:

Figura 10. Equipo para recuperacin del material ptreo

Fuente: El autor

La recuperacin de los agregados ptreos del asfalto natural se realizo mediante una extraccin (ensayo INV E 732 Mtodo A). Es claro que la confiabilidad no puede ser del 100%, dado que los agregados estn impregnados con el bitumen desde hace miles de aos y el procedimiento alcanza a desnaturalizar, especialmente la fraccin fina de la gradacin, as como la centrifugada podr afectar en alguna medida es estado natural de los agregados, teniendo en cuenta lo anterior, los resultados encontrados fueron:

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Granulometra

Tabla 20. Granulometra muestras asfalto natural de norcacia

TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA Normal Alterno Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Promedio 37.5 mm 1 25.0 mm 1 19.0 mm 100 100 100 100 12.5 mm 98 95 94 96 9.5 mm 3/8 84 86 88 86 4.75 mm No. 4 67 62 60 63 2.36 mm No. 8 18 22 19 20 300 m No. 50 7 9 8 8 75 m No. 200 3 4 6 4

Fuente: El autor

La clasificacin del material granular fue una arena tipo SW, con un peso especfico de agregado grueso de 2567 g/cm3 y un peso especfico de agregado fino de 2513 g/cm3.

3.4.2 Mezclas de laboratorio

Con el objeto de verificar las propiedades del material como mezcla asfltica se realizaron trabajos de compactacin en fri y a diferentes temperaturas para observar el comportamiento del mismo.

En cuanto a las briquetas de prueba se realizaron a diferentes temperaturas as:

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Tabla 21. Resultados de ensayos sobre briquetas de asfalto natural compactadas a diferentes temperaturas

Temperatura (C)

Densidad Bulk (g/cm3) Vacos (%)

Estabilidad (Kg)

Flujo (1/10 mm)

Estabilidad remanente (%)

15,0 0 60,0 1.834,0 21,9 150,0 46,6 90,0 1.952,0 16,8 375,0 39,8 120,0 2.066,0 12,0 740,0 34,7 51,5 150,0 2.101,0 10,5 1.059,0 33,0 37,1

Fuente: El autor

A temperatura ambiente las briquetas no tienen ninguna cohesin y se deforman con su propio peso, se empiezan a generar resultados cuando la temperatura de calentamiento del material se sube a los 60C.

Las variables densidad y estabilidad aumentan, como se indica en la tabla, mientras que el porcentaje de vacos disminuye al igual que el flujo, hacindose ms rgida la mezcla, la estabilidad remanente medida sobre las probetas elaboradas con mezcla a 120 y 150 C disminuye. Las experiencias de pavimentacin con el material son bastante buenas, teniendo presente las mediciones realizadas, ECOPETROL, pavimento varios kilmetros en las zonas de influencia de la empresa en la Dorada, con resultados bastante buenos.

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4. METODOLOGA DE APLICACIN DE LOS ASFALTOS NATURALES

Para generar parmetros de uso de los diversos materiales en la construccin de estructuras de pavimento seguiremos con la sub divisin planteada desde el inicio del documento, tres grupos; Crudos pesados, asfaltitas slidas y asfaltos naturales. Es de vital importancia que se tenga en cuenta que el empleo de las mezclas fabricadas con estos materiales, en su mayora, son aplicables a vas de bajos y medios niveles de trnsito y en algunas etapas de la construccin de vas de altos niveles de trnsito.

4.1 Elementos bsicos

Para los fines evaluados en este documento la aplicacin especfica del material est dirigida a las vas secundarias y terciarias, especialmente en lo que hace referencia a reas rurales donde es necesario un costo moderado en materiales y una buena disposicin de los mismos, no sin ello sacrificar las propiedades de la construccin resultante en calidad y duracin. El nico material no convencional que se aplica a vas primarias es la asfaltita slida como veremos ms adelante.

De otra parte y en lo posible estos materiales deben ser colocados con la menor cantidad de maquinaria especializada, mezclas en obra y en fro, an cuando algunos requieren cierto grado de procesamiento su aplicacin redunda en mejores resultados y menores costos de construccin.

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Al querer emplear cualquier tipo material, en especial mezclas naturales o asfaltitas slidas debemos realizar procedimientos de ensayo sobre los materiales de las fuentes, es decir la entidad, alcalda, municipio o junta comunitaria debe asegurar que el material de la fuente tenga las propiedades adecuadas para su empleo o buscar emplearlo de la manera ms apropiada posible y eso solo se consigue con la realizacin de unos ensayos de laboratorio.

4.2 Crudos pesados

Como se pudo ver en los apartes anteriores, los crudos pesados al ser destilados generan asfaltos similares a los convencionalmente empleados en pavimentacin, debido a lo cual, los mtodos de diseo y resultados son anlogos a los materiales convencionales. Al emplear los crudos de manera directa se deben tener en cuenta algunas observaciones, entre las cuales tenemos:

4.2.1 Mtodos de diseo

Los mtodos de diseo estn enmarcados dentro de los mrgenes de los asfaltos lquidos, con la diferencia que la naturaleza de los solventes, que es la que nos genera inconvenientes, debe ser adecuadamente manejada.

La dosificacin de mezclas se basa en el clculo de la superficie especfica como es el caso del mtodo de Duriez, los mtodos Marshall para asfaltos lquidos y el Hubbard Field. Las mezclas asflticas encontradas mediante estos procedimientos dependen de la calidad de los agregados, del procedimiento de trabajo y de las condiciones de servicio para las cuales se construya.

70

4.2.2 Procedimiento de uso

Es recomendable emplear este tipo de materiales en climas clidos, secos, topografa regular, trficos moderados a bajos y equipo convencional.

Este tipo de material se aplica en mezclas de rodadura; para bermas; revestimientos en cunetas y bermas; vas peatonales, ciclo rutas y canchas deportivas; para estabilizacin de suelos y afirmados y para riegos de imprimacin, liga y proteccin. Por la cantidad de solventes voltiles la seguridad en el manejo esta determinada por la temperatura de llama, que como vimos va de 60C para el Crudo de Castilla, hasta 150C para el Crudo de Cedrales, de igual forma Rubiales tiene una temperatura de llama de 90C, La Gloria de 98C y Vendeyaco 160C .En lo que respecta a los parmetros de los materiales en cuanto a normas de ensayo, gradaciones y dems, tenemos:

Tabla 22. Parmetros en materiales granulares.

Ensayo Norma Tolerancia Equivalente de arena INV E 133 Mnimo 50% Durabilidad o Solidez INV E 220 Mximo 12% Desgaste en la mquina de los ngeles INV E 218/219 Mximo 35% Adherencia Stripping INV E 737 Mnimo 95% Coeficiente de Pulimento acelerado INV E 232 Mnimo 0.45 ndices de aplanamiento y Alargamiento INV E 230 Mximo 30% Partculas fracturadas INV E 227 Mnimo 75% Materia orgnica No debe tener

Fuente: Tomado de estudios y archivos sobre normalizacin de crudos y asfaltos naturales de CORASFALTOS SENA ECOPETROL ICP MINA SAN PEDRO TEXPAR ENERGY INC. INVIAS MPI. Bucaramanga 2004.

71

Granulometras

Tabla 23. Parmetros en granulometra segn mezcla.

Espesor de capa cm >6 4-6

72

Es preciso que en los lugares de almacenamiento, los materiales deben estar completamente protegidos de la humedad.

El procedimiento de extendido se hace mediante equipos convencionales; motoniveladora, reglas metlicas o de madera y palas. El sitio debe estar completamente seco.

En el proceso de compactacin las capas se densifican de los bordes hacia adentro y en las curvas con peralte del borde inferior hacia arriba. Este procedimiento requiere el uso de equipos de compactacin convencionales; compactador de ruedas, liso, vibratorio, su accin debe ser alternativa; con vibracin y sin vibracin. Los tramos de prueba nos dan los parmetros para realizar este trabajo.

Los datos que se muestran a continuacin se extractaron de experiencias de laboratorio de la Universidad del Cauca sobre aplicacin de Crudos de petrleo en diseo de mezclas para pavimentacin.

Tabla 24. Temperaturas de mezcla y compactacin de algunos crudos.

TEMPERATURAS MANEJO Castilla La Gloria Cedral Rubiales MEZCLA (C) 75-81 126-130 74-78 39-43 COMPACTACIN (C) 65-69 118-121 66-70 32-35

Fuente: Universidad del Cauca. Aplicacin de Crudos de petrleo en diseo de mezclas para pavimentacin 2000.

73

4.3 Asfaltitas

Las rocas asflticas o asfaltitas duras, modifican el concreto asfltico incrementando los valores de estabilidad y disminuyendo el flujo de las mezclas a las que se les incorpora el material se deben emplear en pequeas cantidades y mediante el uso de rejuvenecedores dado que se le est adicionando a la mezcla un porcentaje de asfaltenos que de una u otra forma es un material bituminoso envejecido, sin rastros de aceites o resinas en su constitucin.

Aun cuando es preciso aclarar que el hallazgo de una fuente de material de esta naturaleza sera de gran beneficio para cualquier zona de nuestro pas ya que la aplicacin industrial de las asfaltitas duras es universal. Durante los estudios realizados en el Laboratorio se logro verificar algunos comportamientos termodinmicos conseguidos con el material, como por ejemplo al adicionarle asfaltita al Crudo de Castilla su punto de Inflamacin y combustin aumentaban en ms de cincuenta grados centgrados, de la misma forma sucede con los cementos asflticos convencionales, esta propiedad es utilizada para aplicaciones que se extiende a:

Aditivo en explotaciones petroleras

Elaboracin de pinturas y barnices especiales

Elaboracin de tintas y tinturas

Aditivo, junto al carbn, en arenas de moldeo metalrgico En elaboracin de explosivos

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En electricidad, equipos de abrasin, bateras, materiales termoplsticos y en vas.

4.3.1 Mtodos de diseo

No existe un mtodo especial ya que la asfaltita se considera como un aditivo que puede ser incorporado tanto al cemento asfltico como a los agregados minerales, con lo cual no es necesario variar los mtodos convencionales para el diseo de las mezclas.

4.3.2 Procedimientos de uso

El rango de agregacin del material va del 2% al 8%, an cuando se requiere profundizar el estudio de este aditivo ya que en la construccin de tramo de prueba para la rehabilitacin de la carretera Puerta del Hierro Magangue y en la Concesin Buga Tula en el ao 2000, se presentaron inconvenientes en la planta dado que el cemento asfltico empleado en esa oportunidad requiri de una mayor temperatura para ser manejado dentro de la planta.

Es claro que al poder clarificar el comportamiento termodinmico de las asfaltitas y su relacin con la reologa de los asfaltos podremos, a futuro, conocer hasta que punto el material nos da muchas mayores ventajas que las que conocemos hoy en da.

El uso adecuado de la asfaltita genera:

Estabilidades Marshall apreciablemente mayores, que generan mayor capacidad de soporte y pavimentos ms durables.

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Mejores caractersticas de adherencia asfalto agregado, dando mejores respuestas al ataque ambiental, especialmente del agua.

Menores susceptibilidades trmicas con lo cual amplia la confianza en la variabilidad climtica.

4.3.3 Procedimiento constructivo

En el laboratorio pudimos encontrar que la asfaltita slida puede ser adicionada tanto a los agregados como al propio cemento asfltico, pero debido a los inconvenientes generados al ser adicionada al bitumen, es mejor agregarla como parte del material granular, aun cuando no acta de la misma forma tambin genera grandes beneficios.

El material es un poco ms exigente en cuanto al empleo, ya que nos debemos apoyar en los resultados de los diseos, de los ensayos de laboratorio y tramos de prueba para conseguir los mejores resultados.

De lo anterior los procedimientos constructivos no varan si se tiene en cuenta que es preciso, para plantas convencionales o trabajos en fro, adicionar la asfaltita como uno mas de los agregados minerales.

4.4 Asfaltos naturales

El siguiente es el procedimiento para el empleo de un asfalto natural tipo Norcacia, pesca, Caquet y otros en los cuales el crudo est combinado con agregados, materia orgnica y agua.

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4.4.1 Mtodos de diseo

Mediante el ensayo de Inmersin Compresin podemos determinar los porcentajes ptimos de ligante, empleando el procedimiento descrito en la Norma INV E-738, con un juego mnimo de seis briquetas elaboradas con mezclas asflticas, con porcentajes de ligante que se incrementan de uno en uno en valor porcentual.

Este procedimiento debe garantizar valores de resistencia y comportamiento mecnico que debe estn dentro de los procedimientos de las normas de inmersin compresin y del diseo Marshall.

Tabla 25. Procedimientos de diseo en asfaltos naturales.

ENSAYO DE INMERSIN - COMPRESIN Parmetro Unidad Valores Mnimos

Resistencia Seca (Rs) Kg/cm2 15 20 Resistencia hmeda (Rh) Kg/cm2 10 15 Resistencia conservada (Rc) % 66 75 Proyeccin TPD Aos 10 10 No. De vehculos No. < 700 > 700

DISEO MARSHALL Parmetro Unidad Valores Mnimos

Golpes por cara No. 75 75 Estabilidad Kg 600 600 Vacos con aire % 4 a 8 4 a 8 Flujo mm 2 a 4 2 a 4

Fuente: El autor

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4.4.2 Procedimientos de uso

Para el uso de un asfalto natural en particular deben realizasen los ensayos previstos en los parmetros anteriormente enumerados, que prevean una caracterizacin de materiales granulares y cemento asfltico

En el proceso de transpo