LIGANTES BITUMINOSOS
09PAVIMENTOS
Ing. Augusto García
ASFALTO: material aglutinante de
consistencia variable, de coloroscuro, se puede encontrar
naturalmente y/o por refinación de
petróleos.
Está constituido por mezcla compleja
de hidrocarburos no volátiles de
elevado peso molecular.
Ligantes bituminosos
Los asfaltos naturales puedenencontrarse en depresiones de lacorteza terrestre constituyendo los“ Lagos de Asfalto “ (Trinidad,Bermudas) o aparecenimpregnados en poros de rocasformando las llamadas “ RocasAsfáltitas “ (Gilgonita). Seencuentran también mezcladoscon impurezas minerales.
Actualmente, la mayor parte del
asfalto producido y empleado en el
mundo es extraído del petróleo del
cual es obtenido exento de
impurezas.
Ligantes bituminosos
Planta de refinería de petróleo
Los asfaltos se producen porel refino del Petróleo enUnidades de DestilaciónPrimaria y de Vacío.
El producto obtenido delfondo de la destilaciónprimaria (crudo reducido) esdestilado a 26 mm Hg. depresión de vacío y altatemperatura (del orden de700°F).
Recuperación y refinado de productos asfalticos del petróleo
El producto obtenido por losfondos de la torre de vacío sellama “ Residual Asfáltico “ oCemento Asfáltico de Petróleo– CAP, semisólido atemperatura ambiente.
Dicho CAP es obtenido adiferentes viscosidades lasque miden su consistencia.
Composición química del asfalto
A
R
a
RR
R
R a
A
R
RR
R
A
R
RR
R
A
R
RR
R
a R a a R a
a R a
a R aa R a
A Asfaltenos
R Resinas
a Aromáticos
NO POLARES
ASFALTENOS constituyen entre el 5% al 25% del
total de bitumen, se caracterizan por no
presentar ductilidad ni adherencia. Al
incrementarse la proporción de asfáltenos se
obtiene una asfalto mas duro y de menor
penetración, mayor punto de ablandamiento y
mayor viscosidad.
RESINAS son líquidos muy viscosos de color
ámbar, constituyen entre el 5% al 25% del total
de bitumen, tiene naturaleza polar por lo cual
imparte propiedades de adhesividad y
ductilidad es la parte activa de bitumen. Al
oxidarse se convierten es asfáltenos.
ACEITES (AROMATICOS Y SATURADOS) son
líquidos de viscosidad media , no tiene ninguna
adhesividad, constituyen entre el 35% al 75%
del total de bitumen, son estables en presencia
de oxigeno pero la fracción que se oxida se
transforma en resinas y asfáltenos.
Composición química del asfalto según la teoría Micelar
Propiedades fisicas del asfalto
Son preparados especialmente por presentar cualidades yconsistencias propias para uso directo en la construcciónde pavimentos asfálticos. Por tener las siguientespropiedades:
� Consistencia.� Durabilidad� Adherencia.� Cohesión� Pureza� Gravedad Especifica
Se clasifican de acuerdo a su consistencia medida por laviscosidad dinámica , absoluta o por su penetración (PEN).
Consistencia
� La consistencia se mide como el grado de fluidez oresistencia a la deformación de un material asfaltico auna temperatura determinada.
� Los asfaltos son materiales termoplásticos, es decir quesu consistencia cambia con la temperatura, mientras mascaliente este un asfalto menor será su viscosidad, esdecir será mas fluido.
� El cambio de la consistencia debido a la temperatura seconoce como SUSCEPTIBILIDAD TERMICA. Para podergraficarla es necesario determinar en el laboratorio porlo menos su grado de fluidez o su consistencia a dostemperaturas diferentes.
Susceptibilidad térmica
Muy frágil (Grietas Térmicas)
Muy Suave(Ahuellamiento)
• El asfalto es muy SUSCEPTIBLE al
cambio de temperatura
• La pendiente indica el grado de
susceptibilidad
• Algunos aditivos reducen la
susceptibilidad
RANGO OPTIMO DE VISCOCIDAD
Susceptibilidad térmica
• La susceptibilidad térmica varia
entre asfaltos provenientes de
diferentes crudos.
• Los 2 asfaltos mostrados A y B tiene
la misma penetración a 25°C pero a
otras temperaturas es diferente.
500
100
10
1
0.1
52 58 64 70 76 82 88 100 120 135 150 165 180 200
Vis
cosi
ty, P
a-s
Temperature, C
Compaction Range
Mixing Range
Grafica de viscosidad temperatura para cemento asfalticos
60°C
135°C
Susceptibilidad térmica
Cold climate
GRADOS Y TIPOS
Asfalto viene en diferente grados (suave y duro)
• Asfalto Suave (baja viscosidad) se usa en climas fríos para evitar agrietamiento térmico
• Asfalto duro (alta viscosidad) usado en climas calientes para evitar ahuellamiento
OptimumViscosity
Range
SuaveDuro
Hot climate
Susceptibilidad térmica
Muy frágil (Grietas Térmicas)
Muy Suave(Ahuellamiento)
Temperatura
Original
• La durabilidad se define como la capacidad de un ligante asfaltico para mantenersus propiedades originales cuando es sometido a los procesos normales de trabajoen obra. Estos procesos son los de almacenamiento y mezclado en planta,transporte, extendido y compactación y luego durante la etapa de servicio a lolargo del periodo de servicio de la obra.
Envejecido por RTFO
Consistencia
� El envejecimiento puede ser causado por uno o variosprocesos diferentes: oxidación (90%),volatilización, tixotropía, separación y sinéresis.Sin embargo el efecto será siempre el mismoREDUCCION DE LA VIDA UTIL, ya que el asfalto sevuelve quebradizo, pierde sus propiedades deadhesión y cohesión e incluso perdida del materialde asfalto en la mezcla ya que algunos de losproductos provenientes del envejecimiento sonsolubles en agua.
El envejecimiento
BEAVER CO.
LYCOMING CO
WASHINGTON CO.
LEBANON CO.
CRACKING FIRST OBSERVED
0 20 40 60 80 100 120 140
70
60
50
40
30
20
10
PEN
ETR
AC
ION
AT
77
F
LIFE OF PAVEMENT, MONTHS
En la figura se ilustra la
variación en la penetración
de diversas mezclas
elaboradas con distintos
ligantes, en función del
tiempo de servicio. Como se
observa, todas y cada una de
las mezclas sufrió una
disminución en la
penetración con el paso del
tiempo y que cuando la
penetración alcanzo por
debajo de 30 dmm
comenzaron a presentarse
las primeras señales de
agrietamiento de la mezcla.
El envejecimiento
Tipos de asfaltos para pavimentación
• CEMENTOS ASFÁLTICOS DE PETRÓLEO : CAP - PEN
Asfalto refinado o una combinación de éste con un aceite fluidificante,
cuya viscosidad es apropiada para los trabajos de pavimentación
• ASFALTOS DILUIDOS, RECORTADOS O CUT BACKS
Cemento asfáltico licuado con solventes como la gasolina(RC), el
kerosén(MC) o un aceite liviano (SC). Su uso está muy limitado por
efectos ambientales
• EMULSIONES ASFÁLTICAS
Dispersión de glóbulos de cemento asfáltico dentro de agua en
presencia de un agente emulsificante. Puede ser aniónica o catiónica,
dependiendo de la carga eléctrica de los glóbulos.
• ASFALTOS MODIFICADOS
Tipos de asfaltos para pavimentación
GRADOS (TIPOS) DE ASFALTO
PERÚ
USA
1. Grado de Penetración (PEN)
2. Grado de Viscosidad (AC)
3. Grado de Envejecimiento
Residual (AR)
4. Grado de Performance o
Comportamiento (PG)
El cemento asfaltico es un ligante denso que a la
temperatura ambiente es semisólido, usualmente
pegajoso y de color variable entre café muy oscuro y
negro.
El cemento asfaltico se prepara comercialmente en 5
grados o rangos de consistencia definidos con base al
ensayo de penetración.
Cementos asfalticos
La designación corriente de los cinco grados de cemento
asfaltico utilizados en pavimentación y su significado es
como sigue.
PEN 40 – 50: Cemento Asfaltico con penetración entre 40 A 50
decimas de milímetro
PEN 60 – 70: Cemento Asfaltico con penetración entre 60 A 70
decimas de milímetro
PEN 85 – 100: Cemento Asfaltico con penetración entre 85 A 100
decimas de milímetro
PEN 120 – 150: Cemento Asfaltico con penetración entre 120 A 150
decimas de milímetro
PEN 200 – 300: Cemento Asfaltico con penetración entre 200 A 300
decimas de milímetro.
Cementos asfalticos
Los PEN 200 – 300 son los mas blandos, son
moderadamente firmes a la temperatura ambiente y
el dedo penetra fácilmente en ellos. El grado mas duro
los constituye los PEN 40 - 50 y tienen una
consistencia tal que a la temperatura ambiente el
dedo solo alcanza a producir en ellos una leve huella
superficial. El grado mas empleado en los pavimentos
asfalticos corrientes es el PEN 85 - 100.
Cementos asfalticos
Tipo de cemento asfaltico por emplear en mezcla en caliente
Transito de diseño
(106 ejes de 80 KN)Temperatura media anual de la región
Mas de 24°C 15 a 24 °C Menos de 15°C
Mas de 5 60 - 70 60 - 70 80 - 100
0.5 a 5 60 – 70 60 – 70 u 80-100 80 – 100
Menos de 0.5 60 - 70 60 – 70 u 80-100 80 – 100
El cemento asfaltico a emplear en las mezclas asfálticas
elaboradas en caliente será seleccionado en función de las
características climáticas de la región y las condiciones de
operación de la vías.
Cementos asfalticos
Son cementos asfalticos rebajados, que se obtienen
diluyendo el cemento asfaltico en algún solvente
derivado del petróleo.
Si el solvente usado en la preparación del asfalto
liquido es muy volátil, puede escapar rápidamente por
evaporación y si su volatilidad es baja se evapora mas
lentamente.
Con base en la rapidez con que se produce la
evaporación del solvente, fenómeno que se conoce
mas como curado del asfalto.
Asfalto liquidos (Cut-backs).
Los asfaltos rebajados se dividen en tres tipos:
Curado rápido (RC):Rapid curing, cuyo solvente es un liquido
volatil, generalmente gasolina.
Curado medio (MC): Medium Curing, cuyo solvente típico es el
kerosene.
Curado lento (SC o LC): Slow curing, cuyo solvente es un aceite
pesado de baja volatilidad, usualmente del tipo fuel-oil.
RC: Asfaltos de CURA RAPIDA (26% Nafta ó gasolina pesada)MC: Asfaltos de CURA MEDIA (30% Kerosene)LC: Asfaltos de CURA LENTA (35 % diesel)
Asfalto liquidos (Cut-backs).
Asfalto liquidos (Cut-backs).
Las emulsiones asfálticas son dispersiones en agua de glóbulos
asfalticos de 2 a 5 micrones de diámetro, que se mantienen
estables en presencia de un agente emulsificante que pueden ser
jabones resultantes del tratamiento de ácidos grasos o resinas con
bases fuertes (aniónicas) o los resultados de la acción de los
ácidos minerales, sobre los compuestos aminicos (catiónicas) .
Emulsiones Asfálticas.
Emulsiones Asfálticas.
Emulsiones Asfálticas.
Cuando la fase dispersa es el asfalto y el agua la
continua se le denominan directas, en contraposición
con las inversas , en las que la fase dispersa son las
gotitas de agua y la fase continua lo constituye el
asfalto liquido.
el contenido de asfalto de las emulsiones bituminosas
para pavimentos varia normalmente entre 50% y el
60% del peso total.
Emulsiones Asfálticas.
Cuando las 2 fases de una emulsión asfáltica se disocian
completamente, es decir cuando los glóbulos de asfalto se
aglomeran sobre un material o los unos contra otros,
separándose netamente de la fase acuosa, se dice que ocurre el
rompimiento de la emulsión.
El rompimiento de la emulsión asfáltica es provocado por una
modificación en el equilibrio electrostático que mantiene los
glóbulos de asfalto en suspensión en la fase acuosa y que
puede deber se a la evaporación de esta ultima, o cambios
notables en el PH o a reacción de la fase acuosa y el material
pétreo.
Emulsiones Asfálticas.
Emulsiones Asfálticas.
De acuerdo al tipo de carga de los glóbulos asfalticos y la
velocidad con que se produce el rompimiento de la emulsión,
estas se dividen en 6 tipos:
ARR = Emulsión Anionica de rompimiento rápido.
ARM = Emulsión Anionica de rompimiento medio.
ARL = Emulsión Anionica de rompimiento lento.
CRR = Emulsión Cationica de rompimiento rápido.
CRM = Emulsión Cationica de rompimiento medio.
CRL = Emulsión Cationica de rompimiento lento.
Emulsiones Asfálticas.
a) Emulsiones aniónicas (A): Presentan carácter básico, estando las partículas de betún
cargadas negativamente, por lo que presentan buena adhesividad con áridos alcalinos o
alcalinotérreos tales como las calizas, que se ionizan positivamente al contacto con el
agua. Son las más antiguas.
b) Emulsiones catiónicas (C): En ellas, las partículas de betún se cargan positivamente, lo
que les confiere un carácter que facilita la adherencia de áridos ácidos, con alto Contenido
en sílice; también son compatibles con la mayoría de áridos calizos.
Tipos de asfaltos para pavimentación
Para evaluar la calidad de cualquiera de los tipos de asfaltos ya
mencionados y para realizar su clasificación se han ideado una
serie de ensayos de laboratorio que han llegado a formar parte
de la practica rutinaria, teniendo:
�Ensayo de penetración.
�Ensayo de viscosidad.
�Ensayo de punto de ablandamiento.
�Ensayo de ductibilidad.
�Ensayo de punto de inflamación.
�Ensayo de película delgada.
�Ensayo de mancha…etc
ENSAYOS NORMALES SOBRE PRODUCTOS
BITUMINOSOS PARA PAVIMENTACION.
Se lleva a cavo sobre los cementos asfalticos y
sobre los residuos de la destilación de asfalto
liquido o emulsiones asfálticas, y es una medida
de la consistencia de los mismos.
Sobre un apasta de asfalto previamente
moldeada y calentada hasta una temperatura
uniforme de 25°C, se coloca una aguja de acero
de Diámetro de dimensiones normalizados, que
soportan un peso de 100 gr y se deja libre
durante 5 segundos.
La distancia que la aguja logre penetrar dentro
dela pasta asfáltica en estas condiciones, medida
en decimas de milímetro, se denomina
penetración del asfalto, mientras mayor se a la
penetración, mas blanda es la consistencia del
cemento asfaltico
a) ENSAYO DE PENETRACION.
�Sirve para medir la
consistencia del asfalto.
�Clasificación actual de
los asfalto en Perú.
�La medición se realiza
a 25°C.
a) ENSAYO DE PENETRACION.
a) ENSAYO DE PENETRACION.
Penetración1/10 mm
100 gr25° C5 Seg.
Este ensayo se realiza
haciendo penetrar en la
superficie de la muestra
una aguja normalizada de
100 g por 5seg.
La distancia que penetra
la aguja en el asfalto se
expresa en decimas de
milímetro.
Tiene por objeto determinar el estado de
fluidez del asfalto, en el rango de
temperaturas que se usan durante su
aplicación.
Se mide, ya sea por la viscosidad
cinemática o mediante Saybolt furol. La
viscosidad de un cemento asfaltico a las
temperaturas usadas en el mezclado
(normalmente 135°C) se mide con
viscosímetros capilares de flujo inverso a
viscosímetros Saybolt ; la viscosidad
absoluta del cemento asfaltico, a las
temperaturas altas en servicio
(normalmente 60°C), generalmente se
mide con viscosímetros capilares de vidrio
al vacio.
b) ENSAYO DE VISCOCIDAD.
b) ENSAYO DE VISCOCIDAD.
4050
6070
85100
120150 200
300
AR 16000
AR 8000
AR 4000
AR 2000
AR 1000
AC 40
AC 20
AC 10
AC 5
AC 40
GRADO DE PENETRACIONV
isco
sid
ad
a 6
0°
C d
el
resi
du
o R
TF
OT
(P
ois
es*
10
2)
100
50
10
5
Comparación de grados de penetración y viscosidad
c) ENSAYO DE PUNTO DE ABALADAMIENTO.
c) ENSAYO DE PUNTO DE ABALADAMIENTO.
c) ENSAYO DE PUNTO DE ABALADAMIENTO.
d) ENSAYO DE DUCTILIDAD.
d) ENSAYO DE DUCTILIDAD.
e) ENSAYO DE PUNTO DE INFLAMACION.
f) ENSAYO DE PELICULA DELGADA.
ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTOCausas
– Oxidación
– Volatilización
– Endurecimiento físico
• Tipos
– Corto Plazo
– Largo Plazo
Vis
cosi
da
d
Tiempo (años)
1
2
3
1 Tanque2 Construcción – corto plazo3 En uso (largo tiempo)
Construcción
SIMULACIÓN DE ENVEJECIMIENTO
Rolling Thin-Film Oven (RTFO)Envejecimiento de corto plazo para simular endurecimiento durante la construcción por 75 min.
Pressure Aging Vessel Envejecimiento de largo plazo para simular endurecimiento en el servicio
Se envejece en la RTFO primero, luego por 20 horas a 305 psi y 90-110 oC
g) ENSAYO DE LA MANCHA.
ENSAYOS SUPERPAVE
1. Punto de Encendido (Flash Point)
2. Viscosidad (rotacional)
3. Reómetro de Corte Dinámico
a.Limpio
b.Ahuellamiento
c.Fatiga
4. Reómetro de Viga en Flexión
5. Tensión Directa
PUNTO DE ENCENDIDO (FLASH POINT)
• Ensayo de seguridad
• Temperatura
mínima con vapores
suficientes para
encenderse cuando
se expone a las
llamas
Mide la viscosidad
• Habilidad del ligante de
fluir en la planta de
asfalto
• Establece la relación de
temperatura Vs.
viscosidad
VISCOMETRO ROTACIONAL
Dynamic Shear Rheometer
– Tests complex shear
modulus of binders
– Measures the resistance
to shear deformation in
the linear visco-elastic
range
height (h)
radius (r)
torque (T)
deflection angle (Θ)
– Tests low temperature stiffness properties of binders
– Measures midpoint deflection of a simply supported
beam
Bending Beam Rheometer
Direct Tension
• Thermal cracking properties
Especificaciones del Cemento Asfáltico Clasificado por Penetración
Especificaciones del Cemento Asfáltico Clasificado por Viscosidad
Revisar…
Ensayo de solubilidad.Ensayo de gravedad especifica.Ensayo de contenido de agua.Ensayo de destilación.Ensayo de asentamiento.Ensayo de estabilidad para almacenamiento.Ensayo de desenmulsion.Ensayo de mezcla con cemento.Ensayo de tamizado.Ensayo de capacidad de recubrimiento y resistencia al agua.Ensayo de cargas de las partículas.
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