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ESTUDIO REOLGICO DE CASOS PARA ASFALTOS

ENVEJECIDOS A LARGO PLAZO

NDICE

CAPTULO 1: INTRODUCCIN. ................................................................................................................................... 6 1.1 ANTECEDENTES GENERALES................................................................................................................ 6 1.2 OBJETIVOS DEL ESTUDIO....................................................................................................................... 7 1.3 ALCANCES DEL ESTUDIO. ...................................................................................................................... 7 1.4 METODOLOGA DE TRABAJO. ................................................................................................................ 8 1.5 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA.............................................................................................................. 9

CAPTULO 2: ASFALTOS........................................................................................................................................... 12 2.1 GENERALIDADES DE LOS ASFALTOS................................................................................................. 12 2.2 ASFALTOS. .............................................................................................................................................. 13

2.2.1 Composicin qumica del asfalto.............................................................................................................................14 2.2.2 Modelos de la Estructura Qumica del Asfalto.........................................................................................................18

2.2.2.1 Modelo Micelar del Asfalto. .............................................................................................................................18 2.2.2.2 Modelo Continuo Microestructural SHRP. ......................................................................................................21

2.2.3 Qumica del Asfalto y Performance del Pavimento. ................................................................................................27

CAPTULO 3: COMPORTAMIENTO REOLGICO. ................................................................................................... 29 3.1 REOLOGA. .............................................................................................................................................. 29

3.1.1 Viscosidad. ..............................................................................................................................................................30 3.1.2 Tipos de Comportamiento Reolgico. .....................................................................................................................33

3.1.2.1 Fluidos Newtonianos. ......................................................................................................................................33 3.1.2.2 Fluidos No Newtonianos. ................................................................................................................................34 3.1.2.3 Tixotropa y Reopexia. ....................................................................................................................................38

3.1.3 Viscosidad Absoluta. ...............................................................................................................................................42 3.1.4 Viscosidad Aparente (ap). ......................................................................................................................................42 3.1.5 Viscosidad Cinemtica. ...........................................................................................................................................44

3.2 COMPORTAMIENTO REOLGICO DE LOS ASFALTOS...................................................................... 44 3.2.1 Variables que Afectan las Propiedades Reolgicas del Asfalto..............................................................................45

3.2.1.1 La Temperatura...............................................................................................................................................45 3.2.1.2 La Tasa de Corte.............................................................................................................................................46 3.2.1.3 Condiciones de Medicin. ...............................................................................................................................46 3.2.1.4 El Tiempo. .......................................................................................................................................................47 3.2.1.5 Presin. ...........................................................................................................................................................47 3.2.1.6 Historia Previa. ................................................................................................................................................47 3.2.1.7 Composicin y Aditivos. ..................................................................................................................................48

3.2.2 Efecto de las Variables en el Comportamiento Reolgico del Asfalto y sus Tipos de Comportamiento. ...............48 3.2.3 Dificultades en la Medicin de las Propiedades Reolgicas. ..................................................................................50

CAPTULO 4: ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO. ................................................................................................... 52 4.1 INTRODUCCIN....................................................................................................................................... 52

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4.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ENVEJECIMIENTO....................................................................... 54 4.3 ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO SEGN ETAPAS DE CONSTRUCCIN....................................... 59

4.3.1 Envejecimiento del Asfalto durante el Mezclado con los Agregados. .....................................................................59 4.3.2 Envejecimiento en una Mezcla durante el Almacenamiento en Caliente, Transporte y Colocacin. .....................61 4.3.3 Envejecimiento del Asfalto en Servicio....................................................................................................................61

4.4 ESTUDIOS DE ENVEJECIMIENTO SOBRE CEMENTO ASFLTICO. .................................................. 63 4.4.1 Procedimientos de Envejecimiento en Laboratorio. ................................................................................................67

4.4.1.1 Procedimientos de Calentamiento Extenso (Extended Heating Procedures).................................................67 4.4.1.2 Procedimientos de Oxidacin..........................................................................................................................72 4.4.1.3 Tratamientos con Luz Ultravioleta e Infrarroja. ...............................................................................................77 4.4.1.4 Endurecimiento Estrico (Tixotrpico). ...........................................................................................................78

4.4.2 Estudios de Relacin entre Ensayos de Envejecimiento en Laboratorio y Performance de Terreno.....................78 4.4.2.1 Estudios en California. ....................................................................................................................................79 4.4.2.2 Tramo de Prueba de Michigan. .......................................................................................................................80 4.4.2.3 Tramo de Prueba de Pennsylvania. ................................................................................................................82 4.4.2.4 Estudio de Iowa...............................................................................................................................................82

CAPTULO 5: ENVEJECIMIENTO CONTEXTO SUPERPAVE. ................................................................................. 83 5.1 INTRODUCCIN A SUPERPAVE............................................................................................................ 83

5.1.1 Modelo Reolgico. ...................................................................................................................................................85 5.1.1.1 Remetro de Corte Dinmico (DSR)...............................................................................................................86 5.1.1.2 Determinacin del intervalo de comportamiento lineal. ..................................................................................90 5.1.1.3 Superposicin Tiempo Temperatura............................................................................................................92 5.1.1.4 Parmetros Caractersticos de una Curva Maestra. .......................................................................................94 5.1.1.5 Modelo Matemtico para Describir las Curvas Maestras................................................................................97 5.1.1.6 Discusin del Nomograma de Van der Poel. ................................................................................................100

5.2 ENDURECIMIENTO FSICO DE BAJA TEMPERATURA. .................................................................... 101 5.3 ASPECTOS QUMICOS DEL ENVEJECIMIENTO................................................................................. 107 5.4 SIMULACIN DEL ENVEJECIMIENTO DE LARGO PLAZO................................................................ 108

5.4.1 Antecedentes Previos............................................................................................................................................109 5.4.2 Seleccin del Procedimiento Final de Envejecimiento..........................................................................................113 5.4.3 Variables que Afectan los Niveles de Oxidacin en el PAV..................................................................................116

5.4.3.1 Reabastecimiento de Oxgeno. .....................................................................................................................116 5.4.3.2 Mezcla de Distintos Asfaltos en el PAV. .......................................................................................................117 5.4.3.3 Posicin de las Muestras en el PAV. ............................................................................................................117 5.4.3.4 Espesor de la Pelcula...................................................................................................................................118 5.4.3.5 Temperatura..................................................................................................................................................119

5.4.4 Validacin de Terreno de los Resultados del Test. ...............................................................................................122

CAPTULO 6: CMARA DE ENVEJECIMIENTO A PRESIN (PAV)...................................................................... 125 6.1 ANTECEDENTES GENERALES............................................................................................................ 125

6.1.1 Preparacin de la Muestra.....................................................................................................................................126 6.1.2 Cuidados Especiales. ............................................................................................................................................127 6.1.3 Anlisis de Resultados. .........................................................................................................................................127 6.1.4 Calibracin y Normalizacin. .................................................................................................................................128

6.2 EQUIPO PAV PRENTEX MODELO 9300. ............................................................................................. 128 6.2.1 Principales Caractersticas. ...................................................................................................................................128 6.2.2 Principales Componentes y Accesorios. ...............................................................................................................129 6.2.3 Sistemas de Control. .............................................................................................................................................130 6.2.4 Instrucciones para Operar el PAV PRENTEX Modelo 9300 [MIO03].................................................................131

6.2.4.1 Descarga de Datos almacenados en el Sistema Controlador Modelo 9300SC. ..........................................134

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CAPTULO 7: ENVEJECIMIENTO Y REOLOGA..................................................................................................... 136 7.1 MEDIDAS PUNTUALES. ........................................................................................................................ 136

7.1.1 Penetracin............................................................................................................................................................136 7.1.2 Ductilidad. ..............................................................................................................................................................138 7.1.3 Punto de Ablandamiento. ......................................................................................................................................139 7.1.4 Punto de Fragilidad Fraass....................................................................................................................................139 7.1.5 Viscosidad. ............................................................................................................................................................142

7.2 PARMETROS DE SUSCEPTIBILIDAD. .............................................................................................. 144 7.2.1 Parmetros de Susceptibilidad de Temperatura. ..................................................................................................144

7.2.1.1 ndice de Penetracin (IP).............................................................................................................................145 7.2.1.2 PVN (Penetration Viscosity Number). ...........................................................................................................146 7.2.1.3 VTS (Viscosity Temperature Susceptibility). ..............................................................................................147

7.2.2 Parmetros de Susceptibilidad de Corte. ..............................................................................................................148 7.3 CARACTERIZACIN VISCOELSTICA LINEAL (LVE). ...................................................................... 149

7.3.1 Efecto del Envejecimiento sobre propiedades Reolgicas dentro del Proyecto SHRP. .......................................150 7.4 SISTEMA DE GRADUACIN PROPUESTO PARA CHILE. ................................................................. 153

7.4.1 Reglas para la Graduacin por Desempeo. ........................................................................................................154 7.4.2 Desventaja del sistema de graduacin propuesto.................................................................................................159

CAPTULO 8: DATOS EXPERIMENTALES.............................................................................................................. 161 8.1 ETAPA DE RECUPERACIN DEL LIGANTE. ...................................................................................... 161

8.1.1 Eleccin de Caminos de la Regin para Recuperar..............................................................................................161 8.1.2 Extraccin de Testigos. .........................................................................................................................................162

8.1.2.1 Faena de Extraccin de Testigos..................................................................................................................163 8.1.3 Recuperacin del Ligante. .....................................................................................................................................164

8.2 ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL EN RPC. ............................................................................................ 166 8.2.1 Asfaltos Utilizados. ................................................................................................................................................167 8.2.2 Equipo Utilizado.....................................................................................................................................................168 8.2.3 Etapa de Envejecimiento y Obtencin de Resultados. .........................................................................................169

8.3 ENSAYOS DE CARACTERIZACIN. .................................................................................................... 174 8.4 ANLISIS DE LOS DATOS.................................................................................................................... 180

8.4.1 Anlisis de Medidas Puntuales..............................................................................................................................183 8.4.1.1 Anlisis de Penetraciones. ............................................................................................................................183 8.4.1.2 Anlisis de Ductilidades. ...............................................................................................................................186 8.4.1.3 Anlisis de Puntos de Ablandamiento...........................................................................................................187 8.4.1.4 Anlisis de Puntos de Fragilidad de Fraass..................................................................................................188 8.4.1.5 Anlisis de Viscosidades...............................................................................................................................190

8.4.2 Anlisis de los Parmetros de Susceptibilidad a la Temperatura. ........................................................................194 8.4.2.1 Anlisis del ndice de Penetracin (IP). ........................................................................................................194 8.4.2.2 Anlisis del PVN (Penetration Viscosity Number).........................................................................................195

8.4.3 Anlisis de los Criterios de Especificaciones por Desempeo..............................................................................196 8.4.3.1 Seleccin del Grado PG................................................................................................................................197 8.4.3.2 Requerimientos de las Especificaciones por Desempeo. ...........................................................................197 8.4.3.3 Determinacin de los Parmetros y Comparacin con Criterios de Especificacin. ....................................199

CAPTULO 9: CONCLUSIONES. .............................................................................................................................. 207

CAPTULO 10: BIBLIOGRAFA. ............................................................................................................................... 211

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NDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Grupos Anillos Aromticos. ..............................................................................................................................................16 Figura 2.2: Grupos Anillos Cclicos (aromticos naftnicos)..............................................................................................................16 Figura 2.3: Grupos Alifticos ("aceitosos"). ........................................................................................................................................16 Figura 2.4: Modelo Micelar del Asfalto. ..............................................................................................................................................19 Figura 3.1: Modelo de dos Planos Paralelos de un Fluido en Movimiento. .......................................................................................31 Figura 3.2: Grfico versus S para fluidos newtonianos. ..................................................................................................................33 Figura 3.3: Grfico versus S para fluidos newtonianos. .................................................................................................................33 Figura 3.4: Fluidos seudo-plsticos....................................................................................................................................................34 Figura 3.5: Dependencia de la Viscosidad de un Fluido seudo-plstico respecto al Gradiente de Velocidad. .................................36 Figura 3.6: Comportamiento de un Fluido Dilatante...........................................................................................................................37 Figura 3.7: Fluidos Plsticos. .............................................................................................................................................................37 Figura 3.8: Comportamiento de un Fluido Tixotrpico. ......................................................................................................................38 Figura 3.9: Representacin Grfica de la Tixotropa..........................................................................................................................40 Figura 3.10: Comportamiento de un Fluido Reopxico......................................................................................................................41 Figura 3.11: Ejemplo del Concepto de Viscosidad Aparente. ............................................................................................................43 Figura 4.1: Esquema de Performance................................................................................................................................................53 Figura 4.2: Relacin entre la Temperatura de Mezclado y el Incremento en el Punto de Ablandamiento. .......................................60 Figura 4.3: Envejecimiento a travs del Tiempo. ...............................................................................................................................62 Figura 4.4: Cambios en la viscosidad durante vida de servicio de tres asfaltos de Zaca-Wigmore. .................................................72 Figura 4.5: Penetracin versus Tiempo de Envejecimiento (Lee, 1973). ..........................................................................................74 Figura 4.6: Viscosidad a 25C versus Tiempo de Envejecimiento (Lee, 1973). ................................................................................75 Figura 4.7: Curvas de Correlacin entre los Tiempos de Envejecimiento (Lee, 1973)......................................................................76 Figura 4.8: Envejecimiento y Cambios de Consistencia (Corbett y Schweyer). ................................................................................81 Figura 5.1: Platos de remetro de corte dinmico..............................................................................................................................87 Figura 5.2: Mdulo Complejo y ngulo de Fase. ...............................................................................................................................87 Figura 5.3: Desfase entre Deformacin Aplicada y Esfuerzo Resultante. .........................................................................................88 Figura 5.4: Representacin vectorial del mdulo complejo, de almacenamiento y de prdida. ........................................................90 Figura 5.5: Tres etapas en el comportamiento del asfalto a la deformacin. ....................................................................................91 Figura 5.6: Superposicin Tiempo Temperatura en la Construccin de la Curva Maestra para el Mdulo Complejo v/s

Frecuencia.........................................................................................................................................................................93 Figura 5.7: Curva Maestra Tpica para Mdulo Complejo y ngulo de Fase. ...................................................................................95 Figura 5.8: Parmetros de Curva Maestra Tpica. .............................................................................................................................96 Figura 5.9: Cambio en el Stiffness con el Tiempo de Almacenamiento a -15C..............................................................................102 Figura 5.10: Respuesta Medida en Creep y su Variacin con el Tiempo Isotrmico. .....................................................................104 Figura 5.11: Variacin del Mdulo de Rigidez con el Tiempo Isotrmico. .......................................................................................104 Figura 5.12: Relacin Cambio de Volumen y Temperatura. ............................................................................................................105 Figura 5.13: ndices de Envejecimiento para distintas temperaturas de PAV. ................................................................................114 Figura 5.14: Comparacin de Protocolos en PAV por ndices de Envejecimiento. .........................................................................115 Figura 5.15: Efecto del Espesor de la Pelcula en el PAV. ..............................................................................................................119 Figura 5.16: Comparacin endurecimiento en PAV entre protocolo de 144-horas, 71C y protocolo de 20-horas a diferentes

temperaturas. ..................................................................................................................................................................121 Figura 5.17: Comparacin endurecimiento en PAV entre protocolo de 144-horas, 71C y protocolo de 100C y diferentes tiempos

de envejecimiento. ..........................................................................................................................................................122 Figura 5.18: Curvas Maestras para asfalto usado en Seccin de Florida, 8 aos...........................................................................124 Figura 5.19: Funciones de cambio de Temperatura para asfalto en Florida, 8 aos.......................................................................124 Figura 6.1: Cmara de Envejecimiento a Presin, Modelo PRENTEX 9300...................................................................................130 Figura 7.1: Penetracin versus Tiempo de Envejecimiento en Meses. ...........................................................................................137 Figura 7.2: Prediccin del Punto de Fragilidad de Fraass [DEBA04]...............................................................................................141 Figura 7.3: Viscosidad a 60C v/s Tiempo en Meses.......................................................................................................................142 Figura 7.4: Cambios en la Curva Maestra de un asfalto despus del envejecimiento en PAV. ......................................................150 Figura 7.5: Cambios en la Funcin Shift de un asfalto despus del envejecimiento en PAV..........................................................151 Figura 7.6: Efecto del envejecimiento sobre el ngulo de Fase(). .................................................................................................152 Figura 7.7: Efecto del envejecimiento sobre el Mdulo Complejo (G*)............................................................................................152 Figura 7.8: Nomograma para la estimacin de la Elongacin a la Rotura [DEBA04]. .....................................................................157 Figura 8.1: Faena de Extraccin de Testigos...................................................................................................................................163 Figura 8.2: Rotavapor Utilizado en la Recuperacin de Ligante. .....................................................................................................165 Figura 8.3: Recuperacin del Ligante...............................................................................................................................................165 Figura 8.4: PAV Corrida 1. ............................................................................................................................................................171

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Figura 8.5: PAV Corrida 2. ............................................................................................................................................................171 Figura 8.6: PAV Corrida 3. ............................................................................................................................................................172 Figura 8.7: PAV Corrida 4. ............................................................................................................................................................172 Figura 8.8: PAV Corrida 5. ............................................................................................................................................................173 Figura 8.9: PAV Corrida 6. ............................................................................................................................................................173 Figura 8.10: PAV Corrida 7. ..........................................................................................................................................................174 Figura 8.11: Enfoques de Anlisis Realizados a los Datos Experimentales....................................................................................182 Figura 8.12: Comparacin Penetraciones Caminos Recuperados v/s Prueba de Michigan. ..........................................................185 Figura 8.13: Estimacin del Punto de Fraass para los Asfaltos Recuperados. ...............................................................................189 Figura 8.14: Curvas Log-Stiffness v/s Log-Tiempo de Carga, determinacin de Valor-m...............................................................204

NDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Composicin Qumica del Asfalto......................................................................................................................................15 Tabla 4.1: Efectos que Pueden Reducir las Propiedades de Ligazn del Asfalto (Traxler, 1963). ...................................................58 Tabla 4.2: Envejecimiento Acelerado de Laboratorio y Mtodos de Evaluacin. ..............................................................................65 Tabla 4.3: Nivel de Envejecimiento usando diferentes mtodos........................................................................................................71 Tabla 4.4: ndice de Envejecimiento de Asfaltos AC-10 de diferentes fuentes usando TFAAT. .......................................................71 Tabla 4.5: Relacin entre contenido de vacos y viscosidad de asfaltos despus de 11-13 aos de servicio. .................................71 Tabla 4.6: Efecto del climatmetro (weatherometer) en la Viscosidad (Edler et al., 1985). ............................................................78 Tabla 5.1: Procedimientos de Envejecimiento Acelerado. ...............................................................................................................111 Tabla 7.1: Temperaturas de Grados por Desempeo propuestos para Chile. ................................................................................155 Tabla 7.2: Proposicin de Graduacin por Desempeo para Chile. ................................................................................................158 Tabla 8.1: Puntos de Extraccin de Testigos. ..................................................................................................................................162 Tabla 8.2: Muestra D. .......................................................................................................................................................................167 Tabla 8.3: Muestra E. .......................................................................................................................................................................167 Tabla 8.4: Muestra F.........................................................................................................................................................................167 Tabla 8.5: Muestra G. .......................................................................................................................................................................168 Tabla 8.6: Muestra H. .......................................................................................................................................................................168 Tabla 8.7: Corridas en el PAV. .........................................................................................................................................................170 Tabla 8.8: Valores de Penetracin, [dmm]. ......................................................................................................................................175 Tabla 8.9: Valores de Punto de Ablandamiento, [C]. ......................................................................................................................175 Tabla 8.10: Valores de Ductilidad, [cm]............................................................................................................................................176 Tabla 8.11: Valores de Punto de Fragilidad de Fraass, [C]. ...........................................................................................................176 Tabla 8.12: Viscosidad Absoluta a 60C, [Poises]. ..........................................................................................................................177 Tabla 8.13: Viscosidad Cinemtica a 135C, [cSt]. ..........................................................................................................................178 Tabla 8.14: Cuadro Resumen de Ensayos de Caracterizacin. ......................................................................................................179 Tabla 8.15: Valores Originales Estimados, Caminos Recuperados (Muestras A, B y C). ...............................................................181 Tabla 8.16: Enfoque 2 Anlisis de Penetraciones............................................................................................................................183 Tabla 8.17: Enfoque 2 Anlisis de Ductilidades. ..............................................................................................................................186 Tabla 8.18: Enfoque 2 Anlisis de Puntos de Ablandamiento. ........................................................................................................187 Tabla 8.19: Enfoque 3 Anlisis de Puntos de Fraass. .....................................................................................................................189 Tabla 8.20: Enfoque 1 Anlisis de Viscosidades Absolutas (60C). ................................................................................................191 Tabla 8.21: Enfoque 2 Anlisis de Viscosidad Absoluta a 60C. .....................................................................................................192 Tabla 8.22: Enfoque 2 Anlisis de Viscosidad Cinemtica a 135C. ...............................................................................................193 Tabla 8.23: Enfoque 2 Anlisis de ndices de Penetracin. .............................................................................................................194 Tabla 8.24: Enfoque 2 y 3 Anlisis de ndices de Penetracin. .......................................................................................................195 Tabla 8.25: Resumen Especificacin Superpave para un Grado PG 64-10....................................................................................198 Tabla 8.26: Resumen Especificacin propuesta para Chile para un Grado PG 64-10....................................................................198 Tabla 8.27: Trabajabilidad, Viscosidades 135C en Pas para los Asfaltos Originales. ..................................................................199 Tabla 8.28: Ahuellamiento, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10. ..................................................................................200 Tabla 8.29: Agrietamiento por Fatiga, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10...................................................................201 Tabla 8.30: Agrietamiento Trmico, Stiffness para Muestras Estudiadas, PG 64-10. .....................................................................202 Tabla 8.31: Agrietamiento Trmico, Valor-m para Muestras Estudiadas, PG 64-10. ......................................................................203 Tabla 8.32: Agrietamiento Trmico, Elongacin a la Rotura, PG 64-10. .........................................................................................205

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CAPTULO 1: INTRODUCCIN.

1.1 ANTECEDENTES GENERALES.

El asfalto, como material utilizado en ingeniera vial para la construccin de pavimentos, ha

logrado una alta masificacin en los ltimos aos debido a sus caractersticas deseables de costo,

rapidez de construccin y un singular comportamiento reolgico visco-elstico. Esta ltima

caracterstica es la que los ingenieros viales han estudiado para poder predecir el desempeo de

la carpeta asfltica en su vida de servicio, lo que ha permitido crear especificaciones que buscan

minimizar los modos de falla tpicos de los pavimentos asflticos, tales como, ahuellamiento,

agrietamiento por fatiga y agrietamiento trmico.

En la ltima etapa de servicio del pavimento, el asfalto ha sufrido un natural endurecimiento

producto de muchos factores, entre los cuales la oxidacin es uno de los ms importantes. Este

proceso es llamado envejecimiento del asfalto y muchos investigadores han tratado de

simularlo a travs de muchas tcnicas. Dentro de este contexto estn las especificaciones

SUPERPAVE (SUperior PERformance PAVEments) que controlan caractersticas

fundamentales del ligante a distintas temperaturas (segn la zona donde se pretende utilizar) y

en distintas etapas de la vida de servicio del asfalto. Para lograr esto ltimo, la especificacin

contempla la aplicacin de un procedimiento de envejecimiento acelerado del ligante en

laboratorio, llamado Cmara de Envejecimiento a Presin (PAV Pressure Aging Vessel) que

simula el endurecimiento que sufre el asfalto en el Largo Plazo en terreno, tras un perodo de 5 a

10 aos de vida en servicio.

El procedimiento anteriormente nombrado nunca se haba aplicado en el pas en un estudio de

casos con asfaltos nacionales, ni comparado con ligantes recuperados desde pavimentos. Este

trabajo de Memoria consisti justamente en eso: se envejecieron artificialmente ligantes

nacionales en el PAV, se recuperaron asfaltos de caminos de la regin envejecidos en el Largo

Plazo y se compararon ambos endurecimientos a travs de una serie de ensayos de

caracterizacin realizados sobre los residuos. Esto permiti, dentro de las limitantes mismas del

estudio, realizar una validacin del procedimiento de envejecimiento acelerado con respecto a

asfaltos originales de la zona y envejecidos en terreno.

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1.2 OBJETIVOS DEL ESTUDIO.

La presente memoria tiene como objetivo estudiar el envejecimiento a Largo Plazo producido

por el ensayo PAV (Cmara de Envejecimiento a Presin) sobre asfaltos originales, mediante la

comparacin de propiedades reolgicas con asfaltos envejecidos naturalmente en terreno. Para

lo anterior se definen los siguientes objetivos especficos:

Puesta a punto de la Cmara de Envejecimiento a Presin, modelo PRENTEX 9300 presente en la Refinera de Petrleos de Concn, a fin de envejecer ligantes originales

segn procedimiento Superpave.

Optimizacin del procedimiento de recuperacin de ligantes implementado en el laboratorio LEMCO de la Universidad a travs del equipo Rotavapor, segn

procedimiento 8.302.58-MCV8.

Validacin del procedimiento PAV realizado en RPC con respecto a los resultados del Proyecto Superpave y los ligantes recuperados del terreno, a travs de ensayos de

caracterizacin, tales como, penetracin, punto de ablandamiento, viscosidad, ductilidad

y punto de fraass.

1.3 ALCANCES DEL ESTUDIO.

Este trabajo de Memoria es una primera aproximacin en cuanto a la validacin en nuestro pas

del procedimiento Superpave para la simulacin del envejecimiento de Largo Plazo de asfaltos

sin modificar. Tal validacin se realiz slo a travs de los parmetros determinados con los

ensayos de caracterizacin mencionados anteriormente, los cuales poseen el gran inconveniente

de ser medidas empricas y puntuales, por lo que la extrapolacin a condiciones distintas a las de

los ensayos resulta arriesgada. No obstante, muchos estudios en el pasado han obtenido

importantes conclusiones con esta metodologa. En este contexto, se propone realizar un estudio

que disponga de ms recursos econmicos que involucre una gama ms amplia de ligantes y una

comparacin con una mayor cantidad de asfaltos recuperados a travs de una caracterizacin

lineal viscoelstica; sta es de una naturaleza ms fundamental y requiere la utilizacin de

equipos ms sofisticados.

Debido a la escasez de recursos en el desarrollo de este trabajo, slo se pudieron hacer tres

recuperaciones desde el terreno, por lo cual un anlisis estadstico de los resultados es

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impracticable. Asimismo, se envejecieron 5 muestras en el PAV, 3 suministradas por la RPC y 2

por empresas de la regin; los resultados son aplicables slo a las muestras estudiadas.

El estudio se refiere slo al envejecimiento del ligante, dejando abierta la realizacin de un

posterior estudio que involucre las variables de la mezcla (cantidad de vacos, % de asfalto,

granulometra, etc) y otras variables que afectan la vida del pavimento, como el nivel de trfico

y el clima.

1.4 METODOLOGA DE TRABAJO.

La metodologa utilizada en este trabajo fue la siguiente:

Parte Revisin Bibliogrfica. Se realiz una extensa revisin bibliogrfica del material disponible, tanto en biblioteca como en las publicaciones de SHRP y NCHRP

publicados en Internet.

Parte Experimental. Esta etapa se desarroll en cuatro sub-etapas: i) Etapa Recuperacin del Ligante; la cual abarc la eleccin de los caminos a

recuperar, la faena de extraccin de testigos, y la recuperacin del ligante

mediante el Rotavapor.

ii) Envejecimiento Artificial de las Muestras; etapa desarrollada en la Refinera

de Petrleos de Concn que comprendi la eleccin de las muestras originales

a envejecer, la calibracin de la Cmara de Envejecimiento a Presin PAV

presente en el laboratorio RPC y el envejecimiento mismo de las muestras.

iii) Etapa Ensayos de Caracterizacin; realizada en el Laboratorio de asfalto de la

Universidad, consistente en la obtencin de los diversos parmetros para las

muestras originales y envejecidas natural y artificialmente.

iv) Etapa Anlisis de Datos; realizada en gabinete, en la cual se pudo trabajar con

los datos obtenidos en el punto iii) y comparar los procedimientos de

envejecimiento, de acuerdo a los objetivos de este estudio.

9

1.5 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA.

La presente Memoria consta de 6 Captulos de revisin bibliogrfica, en la cual se describe la

base terica del proceso de envejecimiento del asfalto y un Captulo de datos experimentales,

donde se analizan los resultados obtenidos.

En el Captulo 2 se proporcionan antecedentes generales del material, su importancia en

ingeniera y su composicin qumica a travs de los diversos modelos que intentan explicarlo,

dada la alta complejidad de su naturaleza.

En el Captulo 3 se describe la ciencia reolgica, a travs de los diversos tipos de

comportamiento. Se estudia la complejidad del comportamiento del asfalto, lo que incide en sus

propiedades fsicas y mecnicas al usarse como componente de una carpeta de rodado. Las

propiedades mecnicas cubren un amplio rango de comportamientos, que varan desde un

material elstico y frgil hasta las de un fluido newtoniano de variadas consistencias a altas

temperaturas. A temperaturas intermedias presenta caractersticas de fluido no newtoniano o

viscoelstico.

En el Captulo 4 se estudia el proceso del envejecimiento del asfalto, estudiando los factores que

lo influencian, las etapas de envejecimiento y un resumen de los diversos estudios que se han

realizado con respecto a este proceso. La revisin se centra en estudios de envejecimiento del

ligante (no de la mezcla ligante agregados) y se describen los ms importantes procedimientos

de envejecimiento acelerado en laboratorio que intentan simular el envejecimiento natural

sufrido por el asfalto en el calentamiento, mezclado, transporte, colocacin, compactacin y vida

de servicio.

En el Captulo 5 se estudia el proceso de envejecimiento en el contexto del programa Superpave.

Se hace una introduccin con respecto a los modelos desarrollados para la caracterizacin

qumica y fsica del ligante; se entregan los conceptos generales acerca del fenmeno de

endurecimiento fsico a bajas temperaturas, tipo de envejecimiento identificado para asfaltos

recin en SHRP; se tocan aspectos qumicos del fenmeno de envejecimiento; y se revisa el

desarrollo del procedimiento para la simulacin del envejecimiento de Largo Plazo de los

cementos asflticos, que culmin con la especificacin y diseo del Mtodo de la Cmara de

Envejecimiento a Presin (PAV), dispositivo utilizado en este trabajo de Memoria.

10

En el Captulo 6 se muestra ms en detalle el procedimiento de envejecimiento, as como el

Horno mismo utilizado en esta Memoria y presente en Chile nicamente en la Refinera de

Petrleos de Concn (RPC).

En el Captulo 7 se describen las diversas tcnicas usadas para cuantificar el proceso del

envejecimiento, como un intento de validar los distintos procesos de envejecimiento artificial

desarrollados en laboratorio. Se describen las medidas puntuales, los parmetros de

susceptibilidad tanto de temperatura como de corte y la caracterizacin lineal viscoelstica

(usada por SHRP), todos utilizados en la cuantificacin del envejecimiento. Concluye el captulo

describiendo un sistema de graduacin propuesto para Chile, que contempla una especificacin

basada en medidas empricas, anlogas a las utilizadas en esta Memoria.

En el Captulo 8 se describe la etapa experimental de la Memoria, con las distintas sub-etapas

desarrolladas: recuperacin del ligante, envejecimiento artificial en el PAV en RPC, ensayos de

caracterizacin y estudio de los datos obtenidos conforme a los distintos enfoques de anlisis

definidos.

Finalmente, en el Captulo 9 se exponen las conclusiones de todos los aspectos relacionados con

este trabajo.

11

PRIMERA PARTE

REVISIN BIBLIOGRFICA

12

CAPTULO 2: ASFALTOS.

2.1 GENERALIDADES DE LOS ASFALTOS.

El trmino asfalto proviene del griego y significa indestructible, pero en sentido figurativo

significa resina de la tierra [MEZG96]. El asfalto es un material ligante de color marrn

oscuro a negro, constituido principalmente por betunes que pueden ser naturales u obtenidos por

refinacin del petrleo. El trmino bitumen se origin en Snscrito, donde la palabra jatu

significa alquitrn y jatubrit significa la creacin de alquitrn, palabra referida al alquitrn

producido por resinas de algunos rboles. El equivalente en latn fue originalmente gwitu-men

(cercano al alquitrn) y por otros pixtu-men (alquitrn burbujeado), cuya palabra fue acortada

subsecuentemente a bitumen pasada luego del francs a ingls.

Por ms de 5.000 aos el asfalto en cada una de sus formas ha sido usado como un

impermeabilizante y/o agente ligante. Se dice que los Sumerios, 3.800 AC, usaron asfalto

natural para revestir tanques de agua y se recuerda ste como el primer uso de este producto. El

uso hoy en da de los materiales bituminosos abarca, entre otros, la fabricacin de pavimentos

asflticos, techumbres, plsticos, sellos, inhibidores de corrosin e impermeabilizantes.

Los asfaltos naturales, se han producido a partir del petrleo, pero por un proceso natural de

evaporacin de las fracciones voltiles, dejando solamente las fracciones asflticas pesadas.

Estos pueden encontrarse como escurrimientos superficiales en depresiones terrestres, dando

origen a lagos de asfalto, como los de las islas Trinidad y Bermudas. Tambin aparecen

impregnando los poros de algunas rocas, denominndose rocas asflticas, como la gilsonita. As

tambin se encuentran mezclados con elementos minerales, como pueden ser arenas y arcillas en

cantidades variables, debiendo someterse a posteriores procesos de purificacin, para luego

poder ser utilizadas en pavimentacin [SHEL90]. Sin embargo, con la introduccin del

automvil y el incremento de la demanda de caminos pavimentados, el asfalto natural cede ante

el destilado final del proceso de refinacin del petrleo, llamado asfaltos del petrleo.

La mayora de los petrleos crudos contienen algo de asfalto, y a veces pueden ser casi

enteramente asfaltos. Existen algunos petrleos crudos, sin embargo, que no contienen asfalto.

En base a la proporcin de asfalto, los petrleos se clasifican por lo comn en:

13

Petrleos crudos en base asfltica. Petrleos crudos en base parafnica (contiene parafina pero no asfalto). Petrleos crudos en base mixta (contiene parafina y asfalto).

El petrleo crudo, extrado de los pozos, es separado en sus constituyentes o fracciones en una

refinera. Principalmente esta separacin es llevada a cabo por destilacin. Despus de la

separacin, los constituyentes son refinados ms cuidadosamente o procesados en productos que

cumplan requerimientos especficos. De esta manera es como el asfalto, parafina, nafta, aceites

lubricantes y otros productos tiles de alta calidad se obtienen en una refinera de petrleo,

dependiendo de la naturaleza del crudo que est siendo procesado.

El asfalto del petrleo es adems un material bituminoso porque contiene betn, el cual es un

hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2). El alquitrn, obtenido de la destilacin

destructiva de un carbn graso, tambin contiene betn. Consecuentemente, tanto el petrleo

asfltico como el alquitrn son referidos en forma conjunta, como materiales bituminosos. Sin

embargo, el asfalto de petrleo no debe ser confundido con el alquitrn, ya que sus propiedades

difieren en forma considerable. El asfalto de petrleo est compuesto casi enteramente por

betn, mientras que en el alquitrn el contenido de betn es relativamente bajo. En vista de estas

diferencias es necesario que los productos del alquitrn y los asfaltos de petrleo sean

considerados y tratados como elementos completamente separados.

El asfalto de petrleo para uso en pavimentos es comnmente llamado asfalto de pavimentacin

o cemento asfltico para distinguirlo del asfalto hecho para otros usos, ya sea para propsitos

industriales o para techados.

2.2 ASFALTOS.

Hoy en da el asfalto es utilizado principalmente como cemento asfltico. Como tal, es altamente

valioso en ingeniera gracias a las siguientes propiedades:

Dureza. Adhesividad. Alta impermeabilidad. Durabilidad.

14

Alta resistencia a la reaccin con cidos, lcalis y sales. Capaz de mezclarse con agregados minerales. Material econmico.

Aunque se comporta como slido o semislido a temperaturas comunes, se convierte en lquido

al aplicarle calor, al disolverlo en solventes de petrleo o al emulsionarlo en agua. Es por esta

capacidad, que el hombre ha hecho uso de sus propiedades de trabajabilidad, adhesividad e

impermeabilidad, especialmente en lo que se refiere a la ingeniera vial [COFR04].

Sin embargo, el asfalto es un material cuyas propiedades mecnicas varan en un amplio rango

dentro de sus lmites de aplicacin. stas varan notoriamente con la temperatura, velocidad de

aplicacin de la carga, duracin de las cargas, orgenes y mtodos de refinacin y; del estado de

envejecimiento. Todo lo anterior concede al material una gran complejidad en su

comportamiento.

Esta complejidad del material asfalto, se debe principalmente a su naturaleza orgnica lo cual

incide en que sus propiedades fsicas y mecnicas cubran un amplio rango de comportamientos,

que varan desde un material elstico y frgil, hasta las de un lquido Newtoniano de variadas

consistencias a altas temperaturas. A temperaturas intermedias el material presenta

caractersticas de un fluido no Newtoniano, muchas veces referido como material viscoelstico

[MIO03].

2.2.1 Composicin qumica del asfalto.

Es de mucha utilidad un amplio conocimiento de la constitucin y composicin qumica de los

asfaltos, para el control de sus propiedades fsicas y as obtener un mejor funcionamiento en la

pavimentacin.

Como los cementos asflticos derivan de materias vivas en descomposicin, son de composicin

qumica muy compleja, la cual an no es comprendida totalmente, por lo que es difcil

cuantificar incluso una sola molcula. Por ejemplo: el nmero de alcanos no cclicos en el

cemento asfltico; poseen de 20 a 150 Carbonos en la cadena, un peso molecular medio de 50 a

2000 y un nmero de ismeros del orden de 1015 [WAHR02].

15

El asfalto est constituido por gran cantidad de compuestos qumicos, por ejemplo:

hidrocarburos, resinas, diferentes parafinas, ceras, aceites, ligninas y protenas. En menor

cantidad, puede contener otros elementos como oxgeno, nitrgeno y azufre y algunas trazas de

metales como Vanadio, Nquel, Hierro, Magnesio y Calcio [NUE94]. Las proporciones

usuales de los componentes del asfalto se pueden visualizar en la Tabla 2.1 [WAHR02].

Elemento Proporcin [%] Carbono 80 85 Hidrgeno 10 Oxgeno 2 8 Sulfuros 1 7 Pequeas cantidades de Nitrgeno y otros Metales

Tabla 0.1: Composicin Qumica del Asfalto.

El asfalto puede ser disuelto en benzol, tricloroetileno, gasolina y aceites vegetales. Su densidad

es de aproximadamente 1.0 a 1.1 [g/cm3]. El asfalto muestra homogeneidad y un

comportamiento isotrpico [MEZG96].

Los constituyentes de esta mezcla de elementos que forman el asfalto pueden dividirse en 5

grupos de compuestos que forman la estructura qumica primaria de los cementos asflticos, lo

que se denomina estructura qumica de bloques en el asfalto [WAHR02]:

a) Grupos compuestos por Anillos Aromticos. Son anillos estables de tomos de carbono;

se alternan enlaces de carbono simples y dobles; ejemplo: Benceno (C6H6). Tienen una

alta polaridad. Son estructuras planas que pueden dar origen a estructuras 3D. Punto de

ebullicin 26,7C; punto de congelamiento -14,4C.

16

C C

C C

C

C

H

H

H

H

H

H

Figura 0.1: Grupos Anillos Aromticos.

b) Grupos compuestos por Anillos Cclicos (aromticos naftnicos). Son anillos de carbono

tridimensionales saturados, con varios tomos anexados. Sin dobles enlaces de carbono;

ejemplo: ciclo Hexano (C6H12). Punto de ebullicin 27,2C; punto de congelamiento -

13,9C.

C C

C C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Figura 0.2: Grupos Anillos Cclicos (aromticos naftnicos).

c) Grupos compuestos por Alifticos (alcanos aceitosos). Cadenas de carbono aceitosas

saturadas. Ejemplo de ellas: Hexano. Punto de ebullicin 20,6C; punto de

congelamiento -70,6C.

C C

C C C

C

H

H

H H

H

H

H H

H

H H

H H

H

Figura 0.3: Grupos Alifticos ("aceitosos").

17

d) Heterotomos (diferentes). Son elementos como el nitrgeno, oxgeno y azufre. A

menudo reemplazan a los tomos de carbono en la estructura molecular del asfalto.

Forman asociacin entre molculas (inducen polaridad). Influencian en forma

significativa el comportamiento mecnico del asfalto. El tipo y cantidad de stos son una

funcin de la fuente del crudo y del envejecimiento. Heterotomos como el azufre

reaccionan ms fcilmente que el carbono o el hidrgeno en incorporar el oxgeno, lo que

se denomina oxidacin. Este efecto es el principal contribuyente del proceso de

envejecimiento del asfalto [COFR04].

e) Metales. Son elementos como el vanadio, nquel y fierro. Influencian en el

envejecimiento del asfalto y proporcionan una huella dactilar del mismo.

En cada uno de los tres primeros casos de grupos de hidrocarburos estn presentes un gran

nmero de estructuras y pesos moleculares diferentes. El asfalto contiene compuestos formados

por slo una, dos o ms formas bsicas. La razn en que las cantidades de los distintos grupos

estn presentes vara con el origen del asfalto y estas diferencias en su composicin tienen una

considerable influencia en el carcter del material. Es por esto que no todos los crudos pueden

ser usados para fabricar asfalto. En general, el asfalto es preparado a partir slo de crudos ricos

en aromticos y naftenos.

Los enlaces qumicos que mantienen a las molculas juntas son frgiles y relativamente fciles

de romper mediante calor o esfuerzos de corte, lo que explica la naturaleza viscoelstica del

asfalto. Por ejemplo, un enlace molecular es destruido cuando el asfalto es calentado y fluye

libremente. Cuando un asfalto se enfra, los enlaces se rearman y la estructura qumica retorna,

pero no necesariamente a la misma estructura existente antes de calentarse.

Todas las molculas contenidas en el asfalto pueden ser de dos tipos, las que coexisten en una

mezcla homognea:

1. Polares: Dan al asfalto sus propiedades elsticas.

2. No polares: Dan al asfalto sus propiedades viscosas.

18

Estas caractersticas son las causas del comportamiento como fluido newtoniano del asfalto a

elevadas temperaturas, en donde el cambio en la viscosidad es proporcional al cambio de

temperatura. Por esta razn que un correcto balance entre molculas polares y no polares otorga

al pavimento un correcto desempeo.

La complejidad y los cambios en la estructura qumica de los asfaltos hace extremadamente

difcil usar anlisis qumicos para analizar el desempeo. Por esta razn, la medicin de las

propiedades fsicas contina siendo la principal forma de especificar y seleccionar los cementos

asflticos.

Debido a la complicada composicin del asfalto, hasta este momento no ha sido posible

establecer la exacta composicin del compuesto. En algunos casos la informacin acerca de la

proporcin de parafnicos, naftenos y aromticos presentes puede ser obtenida. En la mayora de

los casos, sin embargo, la razn entre el nmero de carbonos e hidrgenos (razn C : H) es

capaz slo de caracterizar la composicin qumica de parte del asfalto. Aunque esta razn por s

sola no da una imagen completa del grado de saturacin de la mezcla de hidrocarburo, ha sido

posible encontrar que esta razn puede ser adecuadamente correlacionada con las propiedades

fsicas de los diferentes asfaltos.

2.2.2 Modelos de la Estructura Qumica del Asfalto.

Con el fin de estudiar la estructura qumica del asfalto de una manera ms simple es que se han

construidos modelos que intentan estudiar la composicin del asfalto de una manera ms general

y que se pueda aplicar de una forma razonable a todos los asfaltos provenientes de distintas

fuentes. Entre estos modelos se menciona el Modelo Micelar (Nellestyn, 1924) y el Modelo

Continuo Microestructural (SHRP, 1994).

2.2.2.1 Modelo Micelar del Asfalto.

El asfalto es considerado un sistema coloidal complejo de hidrocarburos, en el cual es difcil

establecer una distincin clara entre la fase continua y la dispersa. Las primeras experiencias

para describir su estructura, fueron desarrolladas por Nellensteyn en 1924, cuyo modelo fue

19

mejorado ms tarde por Pfeiffer y Saal en 1940, en base a limitados procedimientos analticos

disponibles en aquellos aos.

El modelo adoptado para configurar la estructura del asfalto se denomina modelo micelar

(partcula), el cual provee de una razonable explicacin de dicha estructura, en el cual existen

dos fases; una discontinua (aromtica) formada por los asfaltenos y una continua que rodea y

solubiliza a los asfaltenos, denominada maltenos, los cuales a su vez pueden subdividirse en

aceites y resinas. Las resinas contenidas en los maltenos son intermediarias en el asfalto,

cumpliendo la misin de homogeneizar y compatibilizar a los de otra manera insolubles

asfaltenos. Las resinas y los asfaltenos existen como islas flotando en el tercer componente del

asfalto, los aceites saturados. Este modelo se ilustra en la Figura 2.4.

Asfaltenos Aceites Saturados Aromticos

ASFALTENOS

Aceites Saturados Aromticos

ASFALTO

MALTENOS

Figura 0.4: Modelo Micelar del Asfalto.

La mayora de los hidrocarburos livianos se eliminan durante el proceso de refinacin, quedando

los ms pesados y de molculas complejas. Al eliminar los hidrocarburos ms ligeros de un

crudo, los ms pesados no pueden mantenerse en disolucin y se van uniendo por absorcin a

las partculas coloidales ya existentes, aumentando su volumen dependiendo de la destilacin

que se les d. Las molculas ms livianas constituyen el medio dispersante o fase continua. Los

hidrocarburos constituyentes del asfalto forman una solucin coloidal en la que un grupo de

molculas de los hidrocarburos ms pesados (asfaltenos) estn rodeados por molculas de

20

hidrocarburos ms ligeros (resinas aromticas), sin que exista una separacin entre ellas, sino

una transicin; finalmente, ocupando el espacio restante estn los aceites saturados.

Un concepto ms amplio sobre la constitucin es que el asfalto consta de tres componentes

mayoritarios. El primero se describe como una mezcla de asfaltenos que son molculas

complejas de alto peso molecular, insoluble en hidrocarburos parafnicos y soluble en

compuestos aromticos como el benceno. El segundo componente descrito es una mezcla de

resinas y el tercero aceite mineral. Estos tres constituyen un sistema coloidal como el explicado

anteriormente.

Los asfaltenos son las partculas bituminosas slidas discretas de alto peso molecular, alta

viscosidad, que proveen elasticidad y resistencia al asfalto. Cargan con la responsabilidad de las

caractersticas estructurales y de dureza de los asfaltos, y de ellos dependen propiedades como la

viscosidad. Al estar expuestos a carga mecnica, el peligro de microgrietas es importante.

Debido a estas desventajas se prefiere, desde el punto de vista tecnolgico, los asfaltos con bajo

contenido de asfaltenos.

En el caso de los maltenos, las resinas aromticas son partculas slidas a temperatura ambiente,

fluidas cuando se calientan y frgiles cuando se enfran; se relacionan con las propiedades

aglutinantes del asfalto, como la adherencia y ductilidad (viscoelasticidad). Los aceites

saturados son lquidos incoloros, solubles en la mayora de los solventes; le proporcionan la

consistencia adecuada para hacerlos trabajables (plasticidad) adems de ayudar a evitar en parte

la oxidacin del asfalto [WAHR02].

El estado coloidal del sistema determina ampliamente las propiedades reolgicas1 del asfalto.

Los asfaltenos tienen como particularidad la formacin de agregados moleculares o micelas,

cuyo proceso depende de la temperatura y de la naturaleza de la fase dispersa. Estas micelas

aparecen con las bajas temperaturas pudiendo llegar a convertirse en cristales lquidos, en

cambio a altas temperaturas, stas desaparecen, y al estar los asfaltenos en verdadera solucin,

se da origen a un material de muy baja viscosidad [NUE94].

1 Comportamiento Reolgico. Ver Captulo 0.

21

En el caso de que las micelas en el bitumen puedan moverse libremente con respecto a otras, es

porque se est en presencia de un asfalto denominado del tipo SOL (solution); pero si por

atraccin mutua pueden formar una estructura a travs de la masa bituminosa, entonces se tiene

un asfalto del tipo GEL (gelatinous). stos se caracterizan por su elasticidad y alta resilencia,

esto es, su energa de deformacin antes de entrar en fluencia; adems, son menos susceptibles a

la temperatura y menos dctiles que los del tipo SOL. Estos ltimos poseen un flujo de

caractersticas Newtonianas [NUE94].

Por lo visto anteriormente, el comportamiento fsico del asfalto depende fuertemente de las

variaciones en la composicin y de los efectos de la temperatura, la cual confiere distintos

grados de dispersin o propiedades coloidales. A una temperatura intermedia y ambiente, se

puede razonablemente concluir que la reologa de los asfaltos es dominada por el grado de

asociacin de las partculas de asfaltenos y de la cantidad relativa de otras especies presentes en

el sistema para estabilizar estas asociaciones. Todos los fenmenos que producen alteraciones en

el material son de suma importancia debido al rol de agente ligante que tiene el bitumen en una

mezcla asfltica.

2.2.2.2 Modelo Continuo Microestructural SHRP.

La descripcin del modelo continuo microestructural de SHRP (Strategic Highway Research

Program) que a continuacin se presenta est basada en la bibliografa [S36893], [S36794] y

[MIO03]. Corresponde a un modelo qumico avanzado. Este modelo no est de acuerdo con el

modelo micelar de la Sper molcula. Corresponde a un aporte importante de SHRP, que fue

el desarrollo de un modelo microestructural auto consistente y altamente refinado, que puede ser

utilizado para describir la gran variedad de materiales conocidos como asfaltos.

El modelo microestructural adoptado por SHRP, basado en los estudios hechos por Pfeiffer y

Saal, propone que el asfalto est constituido por una fase solvente compuesta principalmente por

molculas poco aromticas y neutras (muy poco polares) y por microestructuras que se

encuentran dispersas en la fase solvente (fase dispersa), las que estn formadas por molculas

aromticas y con cierta polaridad (cidas, bsicas o ambas), como son los asfaltenos. La gran

mayora de las molculas que forman la fase dispersa (microestructuras) son del tipo

multifuncional, capaces de asociarse a travs de enlaces de hidrgeno, permitiendo as, la

22

formacin de las microestructuras primarias, las cuales bajo condiciones adecuadas pueden a su

vez asociarse formando mallas tridimensionales. Los enlaces e interacciones que hacen posible

la formacin de las microestructuras primarias y de las mallas tridimensionales, pueden ser

destruidos por aumentos de la temperatura y esfuerzos de corte dinmicos, provocando cambios

importantes en las propiedades de los asfaltos.

La base de este modelo es que el asfalto est constituido por dos fases: La fase Polar y la No

polar. Es por esto que debe existir compatibilidad entre sus constituyentes, es decir, debe existir

la capacidad de coexistir sin transformacin de fase en el tiempo. Esto se ve influenciado por el

grado de aromaticidad.

Los grupos polares varan de acuerdo al nmero de grupos (ms asociacin), a su peso

molecular y al grado de aromaticidad (nmero de anillos de benceno). Los grupos no polares

varan de acuerdo al peso molecular de los grupos y al grado de aromaticidad (nmero de anillos

de benceno).

Este modelo ha logrado racionalizar importantes propiedades fsicas del asfalto, tales como el

comportamiento reolgico no newtoniano y la termodependencia de la viscosidad entre otras. La

oxidacin en el tiempo del asfalto, se explica por la formacin de molculas polares como

resultado de la reaccin con el oxgeno, y la volatilizacin de componentes que en su mayor

parte son neutros y de bajo peso molecular. El resultado de este proceso es la disminucin de la

fase solvente y un incremento de las microestructuras que forman la fase dispersa.

Parte de este modelo es producto de los resultados obtenidos en el estudio de los asfaltenos, los

cuales en cierta medida son los responsables de la alta viscosidad y las propiedades reolgicas

no newtonianas del asfalto. El contenido de asfaltenos por s slo no es un buen indicador de las

propiedades fsicas del asfalto, ya que existen asfaltos con propiedades fsicas muy diferentes y

con idnticos contenidos de asfaltenos y viceversa. Es por esto, que adems de la precipitacin

de los asfaltenos se utilizaron otras tcnicas en la separacin de los constituyentes del asfalto,

con el objeto de validar y perfeccionar este modelo.

En el modelo de SHRP se desea conocer el tamao, polaridad y nmero de molculas. Para esto

se emple:

23

a) Cromatografa de exclusin de tamaos (SEC): Corresponde a una criba molecular empleando tolueno como solvente. El asfalto y el tolueno se introducen en una columna

formada por gotas de asfalto: Las molculas ms grandes caen primero y las molculas

ms pequeas caen despus porque son atradas por las gotas de asfalto.

El modelo microestructural postula que los componentes de la fase dispersa tienen un

tamao molecular mayor que los componentes de la fase solvente, por lo tanto fue

posible utilizar como tcnica de separacin, la Cromatografa de separacin por tamao

(SEC: Size Exclution Chromatography).

Como consecuencia de la interaccin y asociacin de molculas multifuncionales en la

formacin de microestructuras y mallas tridimensionales, se tiene que el peso molecular

de los componentes asociados es mayor que el peso molecular de los constituyentes no

asociados, como tambin es mayor su volumen hidrodinmico. Por lo tanto, se puede

separar los componentes separados de los no asociados a travs de un procedimiento que

fraccione de acuerdo al tamao molecular. La cromatografa de separacin por tamao

(SEC) es uno de los procedimientos ms conocidos y utilizados.

De acuerdo al modelo microestructural, las fuerzas intermoleculares que mantienen

unidas las asociaciones moleculares son los enlaces de hidrgeno y otras interacciones

entre molculas polares. Debido a que estas fuerzas son mucho ms dbiles que los

enlaces covalentes, la tcnica usada para separar los componentes asociados de los no

asociados del asfalto, debe perturbar lo menos posible dichas asociaciones. En la

separacin a temperatura ambiente de la solucin de asfalto usando el mtodo SEC, el

solvente se debe escoger cuidadosamente para no provocar la disociacin de los

componentes asociados; ste debe tener un parmetro de solubilidad lo ms parecido

posible al parmetro de solubilidad de la fase solvente del asfalto a separar. Por otro

lado, el solvente debe ser neutro y con un punto de evaporacin relativamente bajo, ya

que es necesario obtener fracciones libres de solvente para sus posteriores estudios.

El procedimiento SEC funciona bajo el principio de que el material utilizado para

rellenar las columnas del equipo se comporta como un tamiz molecular; dicho material

est compuesto por partculas enlazadas cruzadas, las cuales se dilatan al entrar en

contacto con lquidos orgnicos de adecuada polaridad. Este material dilatado o gel es

24

poroso y el tamao de estos vara en un amplio rango. Al pasar una solucin de asfalto a

travs de las columnas de gel, las molculas (o asociaciones de molculas) lo

suficientemente pequeas pueden entrar en los poros y permanecer por un tiempo dentro

del gel, las molculas ms pequeas pueden pasar por un mayor nmero de poros, por lo

que demoran ms tiempo en atravesar la columna. Las molculas (o asociaciones de

molculas) demasiado grandes que no entran en ningn poro, pasan a travs de las

columnas entre las partculas del gel, sin experimentar tiempo de residencia en los poros.

Obviamente, la distribucin del tamao de los poros de gel utilizado en una separacin

SEC, debe seleccionarse en base a una estimacin de la distribucin del tamao

molecular del compuesto a separar.

En la prctica, todas las molculas (o asociaciones de molculas) que no entran en los

poros son recolectadas inicialmente de una sola vez, en tanto que las molculas restantes

son separadas de acuerdo a su tamao con las ms pequeas, emergiendo de las

columnas al final. El tipo de fraccionamiento resultante en un procedimiento SEC, es

funcin de la distribucin de tamao y del tamao promedio de los poros del gel

utilizado.

Conocer la polaridad y aromaticidad de la fraccin de mayor tamao, era otro aspecto

necesario para validar el Modelo Microestructural adoptado. Para esto se utiliz un

mtodo basado en que algunas molculas polares encontradas en el asfalto son altamente

aromticas y por lo tanto, su solucin sera fluorescente bajo la influencia de la radiacin

ultravioleta.

El mtodo SEC result ser un procedimiento efectivo para separar el asfalto en

fracciones de acuerdo a su tamao molecular y en cantidades adecuadas para permitir

los estudios posteriores de cada fraccin.

Los resultados obtenidos resultaron que el asfalto est constituido en su mayor parte

(55% - 65%) por molculas de un peso molecular relativamente bajo, con una

viscosidad sustancialmente menor que la del asfalto del cual forma parte, es decir, la

fase solvente (fraccin SEC II). Otro constituyente del asfalto separado por este

procedimiento (15% - 30%) est formado por microestructuras o asociaciones de

25

molculas (fraccin SEC I), que poseen un peso molecular mayor que la fraccin SEC

II.

De los resultados de fluorescencia por radiacin ultravioleta se obtuvo que la fraccin

SEC I estaba constituida en su mayor parte por componentes polares de alta

aromaticidad, esto dada la alta fluorescencia observada. Por otro lado, en la fraccin

SEC II se observ una fluorescencia muy dbil, lo que demuestra su baja aromaticidad.

b) Cromatografa de intercambio de iones (IEC): Similar a la SEC, pero el soluto es separado en bases y cido finos.

Debido a que se pensaba que la fase dispersa tena una polaridad mucho mayor que la

fase solvente, los constituyentes del asfalto tambin se podran separar de acuerdo a su

funcionalidad qumica. Es as como adems, se utiliz como tcnica de separacin la

Cromatografa de Separacin Inica (IEC: Ion Exchange Chromatography), la cual

separa el asfalto en componentes cidos, bsicos, anfotricos y neutros. De este modo, si

el Modelo Microestructural fuese correcto, los componentes dispersos y solventes

separados por ambas tcnicas deberan tener las mismas propiedades.

En una primera etapa, el asfalto fue separado de acuerdo a la funcionalidad qumica de

sus componentes, utilizando la Cromatografa de separacin Inica (IEC), la cual haba

sido bastante utilizada en la separacin del petrleo crudo y sus derivados, en fracciones

qumicamente definidas.

Para poder separar el asfalto usando esta metodologa, ste debi ser previamente

diluido en solventes seleccionados; luego esta solucin debi ser bombeada hacia

columnas rellenas con resinas activadas catinica o aninicamente. Los componentes

cidos del asfalto son absorbidos por las resinas aninicas, para posteriormente ser

separados y obtener la fraccin cida. Anlogamente, los componentes bsicos son

absorbidos por las resinas catinicas. Los componentes neutros no son absorbidos por

las resinas y son recuperados directamente de la solucin residual. Los componentes

anfotricos, que tienen ambas funciones (cida y bsica simultneamente) son

26

absorbidos por ambas resinas; si las columnas se colocan en serie, los anfotricos sern

absorbidos por la primera resina activada que contacte.

Una desventaja del procedimiento IEC aplicado a los residuos del petrleo, es que

algunos componentes son absorbidos irreversiblemente por las resinas, por lo tanto, el

material total recuperado nunca es el 100%. Estos componentes absorbidos

irreversiblemente, pueden ser compuestos altamente polares y aromticos, y por ende,

pueden influenciar fuertemente en las propiedades fsicas del asfalto. Otra desventaja de

este mtodo, es la gran cantidad de tiempo que las resinas necesitan para realizar la

separacin. Por otro lado, esta tcnica es muy sensible a algunos parmetros

experimentales como son la temperatura, la velocidad de flujo y la dimensin de las

columnas entre otras. Especial cuidado se tuvo en la eleccin del solvente utilizado para

diluir el asfalto, ya que ste pudo influir drsticamente. Tambin fue de vital

importancia utilizar la resina adecuada, ya que con el objeto de disminuir el tiempo de

duracin del procedimiento, se pudo aumentar excesivamente la cantidad de

componentes absorbidos irreversiblemente.

El mtodo IEC descrito, efectivamente separa el asfalto en fracciones qumicamente

definidas y en cantidades suficientes que permiten realizar estudios posteriores a cada

fraccin. Los resultados de esta separacin evidenciaron claramente que el asfalto est

constituido por una fraccin aromtica polar dispersa en un tipo de solvente poco

aromtico y prcticamente neutro. Basados en esta separacin, un constituyente del

asfalto (15% - 20%) est formado por molculas aromticas con funciones cidas y

bsicas, llamadas anfotricos, a los cuales se les involucra directamente con las

asociaciones e interacciones moleculares que dan lugar a la formacin de

microestructuras y mallas tridimensionales y que influyen directamente en las

propiedades fsicas del asfalto. El constituyente con mayor presencia en el asfalto (50%

- 60%) est formado por molculas no polares o neutras y con una viscosidad

sustancialmente menor que la del asfalto del cual forma parte.

Los resultados del procedimiento IEC, validan el Modelo Microestructural adoptado en

el proyecto. Por otro lado, los estudios realizados a las diferentes fracciones obtenidas,

revelan que es posible predecir el comportamiento fsico del asfalto conociendo por un

lado la aromaticidad y el peso molecular promedio de la fraccin IEC neutra y, por otro

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lado, la polaridad de la fraccin IEC polar. En particular, el comportamiento a bajas

temperaturas del asfalto, est enormemente influenciado por la naturaleza de la fraccin

IEC neutra.

c) Resonancia magntica nuclear (NMR): Se evala el grado de aromaticidad aplicando un campo magntico, para luego observar la resonancia de la molcula. Se cuantifica el

grado y cantidad de aromticos.

Finalmente, superponiendo los resultados de ambas separaciones, IEC y SEC, se deduce que el

asfalto est constituido por una fase solvente formada por molculas de bajo peso molecular

(comparada con la fase dispersa), poco aromticas y prcticamente neutras, con una viscosidad

sustancialmente menor que la del asfalto del cual forman parte y; por una fase slida (semi-

slida) la cual se encuentra dispersa en la fase solvente, formada por asociaciones moleculares

dbiles, con alto peso molecular y una alta polaridad y aromaticidad, las cuales en su mayora

son asociaciones bipolares (con funcin cida y bsica), a las que se les atribuye la formacin de

microestructuras que gobiernan el comportamiento viscoelstico no newtoniano del asfalto.

2.2.3 Qumica del Asfalto y Performance del Pavimento.

La composicin qumica de los asfaltos tiene una gran importancia en la performance de las

mezclas asflticas. La qumica del cemento asfltico se ve reflejada en la estructura molecular y

en las asociaciones de los tomos, esto a su vez influye en las propiedades mecnicas y fsicas lo

que finalmente le otorga al pavimento su performance.

Debido a lo explicado, el anlisis elemental de los asfaltos no es suficiente para predecir la

performance del pavimento; es necesario conocer la estructura molecular, es decir su tamao y

grado de asociacin. A continuacin se presenta una breve relacin entre la qumica del asfalto

estudiada y los tres modos de falla identificados como los ms importantes para los pavimentos

asflticos dentro de un gran nmero de deterioros:

a) Ahuellamiento: Es deseable tener altos pesos moleculares para obtener mayor elasticidad, mayor polaridad por su alta asociacin, menos no polares y saturados, y menos parafinas por

el flujo no oxidado.

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Este tipo de falla corresponde a una deformacin permanente de los pavimentos causada

principalmente por un exceso de carga de trfico pesada. Tambin lo provocan esfuerzos de

corte dinmicos permanentes despus de muchos ciclos de carga que causan un cambio en el

asfalto contenido entre el agregado mineral provocando una disminucin de su capacidad.

Por ejemplo, un ahuellamiento correspondiente a 10 mm. de profundidad es provocado por

aproximadamente 10.000 a 1.000.000 de ciclos de carga. El ahuellamiento tambin es causal

de peligros al transitar, tales como el hidroplaneo.

Tambin una consistencia insuficiente puede provocar una disminucin en la cohesin del

asfalto y una menor adhesin entre ste y la superficie mineral. Esto, en la prctica, significa

que disminuya el agarre con las ruedas, en especial al acelerar y frenar y tambin durante las

curvas.

Estos desventajosos efectos pueden ser importantes, especialmente en carreteras cuyas

temperaturas sean muy altas y de un alto trfico, especialmente de camiones.

b) Agrietamiento trmico: Es deseable tener bajos pesos moleculares, menos polaridad, mayor cantidad de no polares y saturados, y menos parafinas.

c) Agrietamiento por fatiga: El impacto de la qumica del asfalto est ntimamente ligado a la geometra del pavimento. En pavimentos delgados es deseable la existencia de menos

polares (para altas deflexiones es necesaria una mayor ductilidad). En pavimentos gruesos es

deseable una alta polaridad (para bajas deflexiones es necesaria una mayor elasticidad).

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CAPTULO 3: COMPORTAMIENTO REOLGICO.

3.1 REOLOGA.

Etimolgicamente, la palabra Reologa proviene del vocablo griego Reos, que significa fluir y

se puede definir como "el estudio de los cambios en la forma y el flujo de la materia, abarcando

elasticidad, viscosidad y plasticidad". Todo fluido real ofrece una mayor o menor resistencia al

deslizamiento relativo de sus capas, que se mueven a velocidad diferente; o sea, se resiste a

deformarse y fluir. En consecuencia, esta propiedad necesariamente afecta a la relacin que

existe entre el esfuerzo aplicado y la deformacin producida. Esta relacin se expresa por las

llamadas relaciones constitutivas, que describen el comportamiento mecnico de un material de

manera aproximada y bajo circunstancias particulares. As, por ejemplo, una misma barra

metlica puede considerarse completamente rgida si el esfuerzo aplicado es muy pequeo

comparado con el valor de su esfuerzo de fluencia; en cambio, se comportar como un slido

elstico ante valores mayores del esfuerzo aplicado, pero an menores que el esfuerzo de

fluencia. Pero si el esfuerzo es muy grande se comportar como un slido plstico. En cada caso

el comportamiento mecnico est descrito por una relacin constitutiva diferente. La rama de la

mecnica que se ocupa de formular y estudiar las relaciones constitutivas de los materiales es

precisamente la Reologa, ciencia que estudia la deformacin y el flujo.

La reologa describe cmo se deforma en el tiempo un cuerpo sometido a esfuerzos producidos

por fuerzas externas y su meta es la prediccin del sistema de fuerzas necesario para causar una

determinada deformacin o flujo, o al contrario, predecir la deformacin resultante a partir de la

aplicacin de un sistema de fuerzas [COFR04].

Los slidos ideales se comportan elsticamente, es decir, la energa de deformacin se recupera

totalmente cuando desaparece el esfuerzo (ley de Hooke). Los fluidos ideales se deforman

irreversiblemente y fluyen (ley de Newton). La energa de deformacin se disipa en el fluido en

forma de calor, esto quiere decir que no puede ser recuperada al desaparecer el esfuerzo, por lo

cual es necesario aportar continuamente energa para mantener el flujo del fluido. Los

parmetros reolgicos en un fluido describen el comportamiento y estado de la estructura interna

del material bajo controladas condiciones de flujo (rotacional u oscilatorio) [MIO03].

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La mayora de los cuerpos reales no son slidos ideales y tampoco fluidos ideales. Los slidos

reales pueden ser deformados irreversiblemente bajo la aplicacin de una fuerza suficientemente

grande, entonces tambin fluyen. Slo unos pocos lquidos importantes en la prctica se

comportan como fluidos ideales. La mayora de los fluidos presentan un comportamiento

reolgico segn el cual deben clasificarse en una zona entre lquidos y slidos. Son en diferente

medida tanto elsticos como tambin viscosos y por ello se les denomina viscoelsticos

[MIO03].

El concepto de fluidez, solidez y plasticidad son idealizaciones que describen el comportamiento

de materiales reales en ciertos casos lmite. En general, el comportamiento de un material real

comprende todos los tipos de comportamiento antes mencionados y los comportamientos

intermedios no mencionados [COFR04].

3.1.1 Viscosidad.

La