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CUADERNO FIRP S366CCUADERNO FIRP S366C

EMULSIONES

ASFALTICAS

Carlos Luis BRACHO

MODULO DE ENSEÑANZA EN FENOMENOS INTERFACIALES

en español

LABORATORIO DE FORMULACION, INTERFASESREOLOGIA Y PROCESOS

Mérida-VenezuelaVersión # 2 (2005)

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA



EMULSIONES ASFALTICAS

Contenido

1. ¿QUÉ ES UNA EMULSION ASFALTICA? 1

2. COMPONENTES DE UNA EMULSION ASFALTICA 1 3. CLASIFICACION DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 8

4. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ROMPIMIENTO 13

5. PROPIEDADES BASICAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 14

6. CONTROL DE CALIDAD DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 18

7. APLICACIONES DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 26

8. VENTAJAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS 27

REFERENCIAS 39



Cuaderno FIRP S366C Emulsiones asfálticas 1

1. ¿ QUE ES UNA EMULSION ASFALTICA ?

Los asfaltos provenientes de la refinación del crudo de petróleo, son producidos enuna variedad de tipos y grados que van desde sólidos duros y frágiles a líquidos pocoviscosos. EL asfalto empleado en pavimentación para poder utilizarlo es necesario

fluidificarlo, bien sea calentándolo, diluyéndolo o emulsionándolo. El tercer métodogasta menos energía que el calentamiento directo y no produce contaminación ambiental,ya que se evapora agua en lugar del solvente que se utiliza en la dilución -asfaltado en

frio- ó el volátil presente en el asfalto a la temperatura de operación -asfaltado en caliente-; constituye lo que denominamos una emulsión asfáltica.

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

2. COMPONENTES DE UNA EMULSION ASFALTICAUna emulsión asfáltica consiste de tres ingredientes básicos: Asfalto, agua y un

surfactante. En algunas ocasiones, la emulsión puede contener otras aditivos, comoestabilizantes, mejoradores de recubrimiento, mejoradores de adherencia, o un agente decontrol de rotura. Los aspectos más importantes, así como las características y / oespecificaciones que debe cumplir cada uno de estos componentes en la formulación dela emulsión se detallan a continuación.

2.1. Asfalto

2.1.1 Proveniencia del Asfalto

El asfalto es el elemento básico en la preparación de la emulsión, representado por elcemento asfáltico, el cual constituye entre un 50 y un 75% de la emulsión. Algunas de suspropiedades afectan significativamente la emulsión final, sin embargo, no existe unacorrelación exacta entre las propiedades del asfalto y la facilidad con que el asfalto puedaser emulsionado. En efecto, el asfalto es considerado un sistema coloidal complejo dehidrocarburos, en el cual es difícil establecer una distinción clara entre la fase continua yla dispersa. Las primeras experiencias para describir su estructura, fueron desarrolladaspor Nellensteyn en 1924, cuyo modelo fue mejorado más tarde por Pfeiffer y Saal en1940, en base a limitados procedimientos analíticos disponibles en aquellos años.

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




Tabla No. 1 Cuadro comparativo entre los componentes del asfalto

En este mismo sentido, los asfaltos mas utilizados en el mundo hoy en día, son losderivados de petróleo, los cuales se obtienen por medio de un proceso de destilaciónindustrial del crudo. Representan más del 90 % de la producción total de asfaltos. Lamayoría de los petróleos crudos contienen algo de asfalto, a veces casi en su totalidad.Sin embargo, existen algunos crudos, que no contienen asfalto.

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

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

El asfalto procedente de ciertos crudos ricos en parafina no es apto para fines viales,por cuanto precipita a temperaturas bajas, formando una segunda fase discontinua, lo queda como resultado propiedades indeseables, tal como la pérdida de ductilidad. Con loscrudos asfálticos esto no sucede, dada su composición.

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

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

compuestos.El asfalto de petróleo tiene las mismas características de durabilidad que el asfalto

natural, pero tiene la importante ventaja adicional de ser refinado hasta una condiciónuniforme, libre de materias orgánicas y minerales extraños.

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

ASFALTENOS MALTENOS Compuestos Polares Hidrocarburos Aromáticos

Peso molecular mayor 1.000

Precipitan como sustancias oscuraspor dilución con parafinas de bajopunto de ebullición (pentano-heptano)

No polares Hidrocarburos

Alifáticos másNafténicos

y Aromáticos Peso molecular

hasta 1.000Medio continuo




Destilación Primaria

Es la primera operación a que se somete el crudo. Consiste en calentar el crudo enhornos tubulares hasta aproximadamente 375 ºC. Los componentes livianos (nafta,kerosén, gas oil), hierven a esta temperatura y se transforman en vapor. La mezcla de

vapores y líquido caliente pasa a una columna fraccionadora. El líquido o residuo dedestilación primaria se junta todo en el fondo de la columna y de ahí se bombea a otrasunidades de la refinería.

Destilación al VacíoPara separar el fondo de la destilación primaria en una fracción libre de asfaltenos y

la otra con el concentrado de ellos, se recurre comúnmente a la destilación al vacío.Difiere de la destilación primaria en que mediante equipos especiales se baja la presión(aumenta el vacío) en la columna fraccionadora, lográndose así que las fraccionespesadas hiervan a menor temperatura que aquella a la que hervían a la presiónatmosférica. El producto del fondo de la columna, un residuo asfáltico mas o menos duro

a temperatura ambiente, se denomina residuo de vacío. De acuerdo a la cantidad de vacíoque se practica en la columna de destilación, se obtendrán distintos cortes de asfaltos queya pueden ser utilizados como cementos asfálticos.

Desasfaltización con propano o butanoEl residuo de vacío obtenido por destilación al vacío, contiene los asfaltenos

dispersos en un aceite muy pesado, que a la baja presión (alto vacío) y alta temperaturade la columna de vació, no hierve (no destila). Una forma de separar el aceite de losasfáltenos es disolver (extraer) este aceite en gas licuado de petróleo. El proceso sedenomina "desasfaltización" y el aceite muy pesado obtenido, aceite desasfaltizado. Seutiliza como solvente propano o butano líquido, a presión alta y temperaturas

relativamente moderadas (70 a 120 ºC). El gas licuado extrae el aceite y queda un residuosemisólido llamado "betumen".

Oxidación del AsfaltoEs un proceso químico que altera la composición química del asfalto. El asfalto está

constituido por una fina dispersión coloidal de asfaltenos y maltenos. Los maltenosactúan como la fase contínua que dispersa a los asfaltenos. Las propiedades físicas de losasfaltos obtenidos por destilación permiten a los mismos ser dúctiles, maleables yreológicamente aptos para su utilización como materias primas para elaborar productospara el mercado vial. Al "soplar" oxígeno sobre una masa de asfalto en caliente seproduce una mayor cantidad de asfaltenos en detrimento de los maltenos, ocasionando así

de esta manera una mayor fragilidad, mayor resistencia a las altas temperatura y unavariación de las condiciones reológicas iniciales.

2.1.2 Tipos de Asfaltos

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




de carreteras y en pistas de aterrizaje de aeropuertos. Las características de los asfaltosobtenidos por destilación al vacío y por precipitación o extracción con solventes sonaproximadamente las mismas.

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

burbujear aire a través del asfalto calentado entre 200 y 300 ºC. La inyección del aire sepuede iniciar a una temperatura de 200 ºC, alrededor de la cual tiene lugar la reacciónexotérmica, y llegarse hasta el valor adecuado para la oxidación (20 o 30 ºC por debajodel punto de inflamación). Luego de iniciada la oxidación, se ajusta la tasa de aire entre0.8 a 1.5 m3 normales por tonelada de asfalto para mantener la temperatura dentro dealgún límite prefijado. Los asfaltos oxidados se utilizan de manera general en laimpermeabilización de techos. Por esta razón, su punto de ablandamiento debe ser tal quesoporte las altas temperaturas, ocasionadas por los rayos solares, sin fluidizar. De allí quela característica más importante para este tipo de asfalto sea su punto de ablandamiento.

Los asfaltos diluidos son aquellos que se obtienen por dilución, en línea, de losasfaltos de penetración en caliente con un solvente adecuado. El proceso en línea, además

de evitar la evaporación del solvente, hace que la operación se realice de manera mássegura.

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

A los asfaltos diluidos se les clasifica de acuerdo al tipo de solvente que se utilice en

su preparación. De esta manera se tienen: a) los asfaltos de fraguado rápido RC (rapidcuring), en los que se utiliza nafta como solvente, b) los de fraguado medio MC (mediumcuring), donde se emplea kerosene, c) los de fraguado lento SS (slow curing), con basediesel oíl como solvente. Los asfaltos de fraguado rápido se utilizan cuando se requierenperiodos muy cortos de fraguado. Los de fraguado medio tienen aplicación en lasoperaciones donde se requiere un cubrimiento más completo del agregado y una mayorpenetración en las hendiduras o porosidades del material pétreo. Los de fraguado lentotienen pocas aplicaciones, normalmente su uso se ha restringido al logro de capasantipolvo y estabilización de arenas.

Debido a lo complejo de su composición, hasta el presente no se ha encontrado una

correlación satisfactoria entre las propiedades del asfalto y su facilidad para seremulsificado. Sin embargo, los asfaltos ricos en asfaltenos y parafinas son difíciles deemulsificar, o de estabilizar si ya han sido emulsificados. Normalmente, se utilizanasfaltos en el rango de penetración 100 a 200, aunque las condiciones climáticas de laobra podrían sugerir asfaltos de mayor o menor dureza. Debido a los problemas decontaminación y de costos inherentes no se justifica el uso de asfaltos rebajados en laelaboración de emulsiones asfálticas. La Figura 1 es un resumen de los diferentes tipos deasfaltos que se obtienen luego del proceso de destilación del crudo.




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

2.1.3 Pruebas a que debe ser sometido un asfalto.

Antes de ser utilizado, el asfalto debe ser sometido a una serie de pruebas quepermiten determinar algunas propiedades que debe cumplir para un uso particular. Losdiferentes ensayos se agrupan en cinco categorías:

Ensayos para medir consistenciaLa consistencia se define como el grado de fluidez que tiene un asfalto a una

determinada temperatura. El asfalto es una material termoplástico, por lo que suconsistencia varia en mayor o menor grado con la temperatura. Si se quiere realizarcomparaciones entre ellos, es necesario medir su consistencia a una misma temperaturade condición de carga. Los ensayos más utilizados para medir la consistencia de loscementos asfálticos son los siguientes:

Viscosidad absoluta a 140 ºF (60 ºC) ASTM D-2171

Viscosidad cinemática a 275 ºF (135 ºC) ASTM D-2171

Viscosidad Saybolt Furol ASTM E102-93(2003)

Penetracíón a 25 ºC ASTM D-5

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

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




Película delgada (TFO) ASTM D-1754

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

Ensayos de pureza

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

Solubilidad ASTM D-2042

Ensayos de seguridadSi el cemento asfáltico es calentado a temperatura altas, se producen vapores que en

presencia de alguna chispa se pueden incendiar. Por lo tanto se hace necesario realizar lossiguientes ensayos:

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

Otros ensayos

Peso específicoEnsayo de ductilidadEnsayo de la mancha

2.1.4. Especificaciones de los Cementos Asfálticos

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

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

En la década de los sesenta, la FHWA, la ASTM, la AASTHO, la industria y ungran número de estados propusieron clasificar los cementos asfálticos basados en laviscosidad a 60ºC, buscando entre otros los siguientes objetivos: reemplazar el ensayoempírico de penetración por uno más racional como la viscosidad y poder evaluar laconsistencia del asfalto en condiciones críticas de servicio, como lo es la temperaturamáxima en la superficie del pavimento durante los días más calientes de verano enmuchos estados. De allí se desarrollan varios grados de viscosidad de los asfaltosaplicables a distintas condiciones de trabajo.




Para la misma década, cuando se desarrolló la clasificación de los cementos asfálticospor grados de viscosidad, el departamento de Carreteras de California desarrolló nuevasespecificaciones basadas en la viscosidad del asfalto envejecido a través del Ensayo dePelícula Delgada en Horno Rotatorio (RTOF).

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

El sistema de clasificación utilizando los grados de viscosidad presenta las siguientesventajas:

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

Es aplicable a una amplio rango de temperaturas del pavimentos (25 ºC a 60

o

C). Se basa en la viscosidad del cemento asfáltico a la temperatura más alta que sepuede presentar en la época de verano, en la superficie del pavimento.

Hay una mínima superposición con otros sistemas de medida. Para su determinación se puede utilizar una amplia gama de equipos. La susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos se puede estudiar

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

Entre las desventajas de este sistema se clasificación se tiene:

El sistema de ensayo es ligeramente más costoso que el de penetrómetro. Es difícil predecir el comportamiento a las temperaturas de servicio baja y media.

No es adecuado para controlar el fisuramiento a bajas temperaturas de servicio. El tiempo de ensayo es relativamente largo. La viscosidad del residuo del ensayo TOF puede varia considerablemente para

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

2.2. El Agua

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




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

La dureza del agua no es un factor importante en la preparación de una emulsióncatiónica. Sin embargo, se debería tener cuidado con la presencia del hierro, ya que ésta

es la impureza más perjudicial. El hierro puede estar presente en forma de bicarbonatos,si el agua es de pozo o en forma orgánica o coloidal en las aguas superficiales. Elproblema más frecuente de esta impureza lo constituye la corrosión en las líneas deproceso y en los equipos.

Las soluciones para contrarrestar el problema de la dureza del agua generalmente

resultan costosas, ya que conducen a la implementación de alguna de las siguientes

alternativas: a) tratamiento del agua para eliminar la dureza, b) variación de laconcentración o el tipo de emulsificante a ser empleado en la formulación de la emulsión.

2.3. Agente Emulsivo

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

Hechas las consideraciones anteriores es evidente entonces, que el agua y el asfaltono se mezclan, por lo tanto es necesario condiciones cuidadosamente controladas,utilizando equipos de alta estabilización y aditivos químicos. Con el objeto de lograr una

formulación donde la dispersión sea lo suficientemente estable entre el cemento asfálticoy el agua para ser bombeada, almacenada durante un tiempo prolongado y mezclada.

3. CLASIFICACION DE EMULSIONES ASFALTICAS

3.1. Según su carga eléctrica

Las Emulsiones Asfálticas se clasifican debido a la carga eléctrica que éste le aporta alas partículas de asfalto en tres categorías: aniónicas, catiónicas y no iónicas. Cuando elglóbulo de asfalto por la presencia del emulsificante en su superficie adquiere carga

positiva, se dice que la emulsión es Catiónica, es decir, que los iones que recubren losglóbulos son cationes (+) resultantes de la ionización de las moléculas del emulsificante.

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




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

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

Las emulsiones catiónicas presentan afinidad por los materiales silíceos y agregadosgraníticos, mientras que las emulsiones aniónicas lo son con materiales de naturalezacalcárea, limos y dolomitas.

3.2. Según su forma de dispersión

Una emulsión es la dispersión de un líquido en forma de glóbulos dentro de otro queno es miscible con el primero, al conjunto de estos microscópicos glóbulos se denominafase discontinua o dispersada, y al medio en donde se encuentran dispersos, fasecontinua o dispersante.

Figura No. 2 Tipos de emulsiones según su forma de dispersión

En base a la concentración de cada una de estas fases, existen dos tipos deemulsiones: emulsión directa ( O/W ) como se muestra en la Figura No. 2, donde la fasehidrocarbonada está dispersa en la parte acuosa y la inversa (W/O) cuando la fase acuosaestá dispersa en la parte hidrocarbonada. Es preferible el empleo de las emulsiones O/Wpor su baja viscosidad a temperatura ambiente y son las empleadas para la construcciónde carreteras.




3.3. Según su velocidad de rotura

Una de las clasificaciones de las emulsiones asfálticas se basa en la velocidad conque las gotitas de asfalto coalescen (se juntan restaurando el volumen de cementoasfáltico), relacionada íntimamente con la rapidez con que la emulsión se vuelva

inestable y rompa tras entrar en contacto con el agregado.

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

Cabe destacar que la rotura de una emulsión es un factor decisivo para definir laemulsión a usar en la obra según sea el tipo de tratamiento. La mayor o menor velocidad

con que ocurre el proceso de rotura, cuando los glóbulos de asfalto coalescen al entrar encontacto con una sustancia extraña tal como un agregado o la superficie del pavimento,proporcionará otra manera de clasificar las emulsiones.

De esta manera, las emulsiones se clasifican en: emulsiones asfálticas de roturarápida, o bituminosas rápidas (RS y CRS), las cuales rompen muy rápidamente, es decir,rompe en muy corto tiempo (usualmente algunos minutos) por lo cual se utilizan entrabajos de riego y tratamientos superficiales con agregados pétreos limpios. Tienenescasa o ninguna habilidad para mezclarse con un agregado y mucho menos para mezclarcon agregados que contengan finos, puesto que al ponerse en contacto con éstos, elrompimiento es casi de inmediato, por lo tanto el recubrimiento del material pétreo es

insuficiente. Hay que tener en cuenta que los materiales finos poseen mayor superficieespecífica y, por condición propia, aceleran el proceso de rotura. Sólo en algunos casos ymediante ciertos aditivos retardadores en el agua prehumectación es posible utilizarlas enmezclas.

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

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




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

Por ejemplo, una emulsión MS-2 es más viscosa que una emulsión MS-1. Las siglasRS-2, significa que es una emulsión aniónica de rotura rápida y de alta viscosidad, conasfalto base blando (penetración entre 100 y 200). El término CSS-1h identifica a unaemulsión catiónica de rotura lenta de baja viscosidad y con asfalto base duro. En la TablaNo. 2 se muestran las clasificaciones de los tipos de emulsiones asfálticas tanto catiónicascomo aniónicas. Las especificaciones para ambos tipos se pueden consultar en elApéndice B.

Se han adicionado a las normas A.S.T.M. tres grados de emulsión aniónica de altaflotación y rotura media. Las letras “HF” que preceden algunos de los grados de lasemulsiones aniónicas indican alta flotación (high flotation) medida con el ensayo de

flotación. Las emulsiones de este tipo tiene características de gel, impartidas por laacción de ciertas sustancias químicas; estas características permiten la formación de unapelícula de asfalto más gruesa alrededor del agregado, impidiendo la separación delasfalto de las partículas del árido. Estos grados de emulsión se usan principalmente paramezclas de planta en caliente y en frío, para sellados y para mezclas en capas depavimentos.

Tabla No. 2 Clasificación de las Emulsiones Asfálticas

Emulsiones AsfálticasAniónicas

(ASTM D977, AASHTO

M140)

Emulsiones AsfálticasCatiónicas

(ASTM D2397, AASHTO

M208)RS-1 (RR-1) CRS-1 (CRR-1)

RS-2 CRS-2

HFRS-2 -

MS-1 (RM-1) -

MS-2 CMS-2 (CRM-2)

MS-2h -

HFMS-1 -

HFMS-2 -

HFMS-2h -

HFMS-2s -

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

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




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

Tabla No. 3 Usos más frecuentes de las emulsiones

ASTM D977 / AASHTO M208 ASTM D2397 / AASHTO M 140

Tipo de Construcción

R S - 1

R S - 2

H F R S - 2

M S - 1 , H F M S - 1

M S - 2 , H F M S - 2

M S - 2 h , H F M S - 2 h

H F M S - 2 s

S S - 1

S S - 1 h

C R S - 1

C R S - 2

C M S - 2

C M S - 2 h

C S S - 1

C S S - 1 h

Mezclas de asfalto y agregados:

Mezcla en Planta (en caliente) X A

Mezcla en Planta (en frío)

Granulometría abierta X X X X

Granulometría cerrada X X X X X

Arena X X X X X

Mezclado In-SituGranulometría abierta X X X X

Granulometría cerrada X X X X X

Arena X X X X X

Suelo Arenoso X X X X X

Aplicaciones de Asfalto y Agregado

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

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

Lechada Asfáltica (Slurry Seal) X X X X X

Micro-aglomerado (Micro-sufac.) XE

Sallado Doble (Sándwich seal) X X X

Capa Seal X X

Aplicaciones de Asfálticas

Riego Pulverizado (Fog Seal) XB

XC

XC

XC

XC

Imprimación (Prime coat) XD

XD

XD

XD

Riego de Adherencia (TackCoat) X

CX

CX

CX

C

Control de Polvo (DustPalliative)

XC

XC

XC

XC

Protección con Asfalto (Mulchtreta.) X

CX

CX

CX

C

Sellado de Fisuras (crack filler) X X X X

Mezclas de Mantenimiento

Uso inmediato X X X Acopio X

APueden emplearse otros grados que el HFMS- 2h cuando la experiencia demuestre que han tenido un

comportamiento satisfactorioB

Diluido en agua por el fabricante

CDiluido con agua

DMezclado solo para imprimación

EEl polímero debe incorporarse durante o previamente a la emulsificación




4. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ROMPIMIENTO

En el caso de las emulsiones aniónicas, los factores que influyen en la ruptura son: laevaporación de la fase acuosa, la difusión de ésta y en menor grado a los factoresfisicoquímicos y la absorción superficial de una parte del emulsificante en el material

pétreo.

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

4.1. Efecto del tipo, calidad y concentración del emulsificante en la

rotura de la emulsión.

Para dar una idea del papel que desempeña la cantidad de emulsificante utilizado en lapreparación de una emulsión y la influencia que ejerce en el tiempo de rotura, se planteael siguiente ejemplo: un emulsificante catiónico, diaminas de ácidos grasos, en unporcentaje de 0.2 a 0.3%, dará origen a emulsiones de rotura rápida, mientras que endopajes de 0.5 a 0.8% se producen emulsiones de rotura media.

Otro factor que incide en la velocidad de rotura de una emulsión, es el número degrupos ionizables de la especie emulsificante. A medida que ese número se incrementa(por ejemplo al pasar de diaminas a poliaminas) también disminuye la velocidad de

rotura, así pues una emulsión elaborada por medio de una diamina es rápida, otraemulsión donde se usa poliamina será media a lenta, según el número de grupos amino.

4.2. Otros factores

El contenido de humedad en el agregado al momento del mezclado. La tasa de absorción de agua que presente el agregado utilizado. Un agregado poroso o de textura áspera, acelera el tiempo de rompimiento. Las condiciones climatológicas en el sitio de trabajo (temperatura, humedadatmosférica, velocidad del viento.) La distribución del tamaño del agregado. Las emulsiones utilizadas en mezclas deagregados finos tienden a romper más rápido, por existir mayor superficie específica en elagregado. La composición mineralógica del material puede producir reacciones químicas entreel emulsificante y la superficie del mismo, afectando la velocidad de rompimiento. Suciedad y/o actividad de los finos presentes en el agregado. Bajo equivalente dearena acelerada la velocidad de rompimiento.




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

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

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

Cabe destacar que la idea principal de utilizar emulsiones en un proyecto vial consiste

en adaptar la misma al agregado presente (ya que se aprovecha en los materialesexistentes, lo que redunda en economía). Se deben analizar todas las características quepueden afectar el rompimiento de la emulsión empleada, variando la dosificación y lanaturaleza del emulsificante, el pH ∗ de la emulsión o incorporando aditivos de distintasnaturaleza y funciones.

5. PROPIEDADES BASICAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS

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

5.1. Propiedades intrínsecas

ViscosidadSe entiendo como viscosidad a la resistencia que desarrolla un líquido al oponerse al

movimientos de las partículas que lo conforman o se encuentran en su interior. Estapropiedad resulta de gran interés e importancia al momento de definir una emulsiónadecuada para cada tratamiento.

Cuando la emulsión es de baja viscosidad se puede utilizar para hacer riegos de

imprimación y en gran parte para estabilizaciones de suelo, mientras que si es de altaviscosidad, será empleada en tratamientos superficiales y en mezclas abiertas, donde sedebe garantizar que el material o agregado mineral sea provisto de una película de ligantesuficientemente alta en su superficie. La viscosidad es medida en Segundos Saybolt Furol(SFS), según especificaciones y normas norteamericanas A.S.T.M. y A.A.S.H.O.

∗ En las emulsiones aniónicas, el pH usualmente es superior a 10. En las catiónicas, inferior a 7; algunas

veces puede estar tan bajo como 1,5.




En una emulsión asfáltica la viscosidad es dependiente de ciertos factores tales como:la temperatura (a mayor temperatura menor viscosidad), el tamaño y granulometría de losglóbulos de asfalto (siendo más viscosa las emulsiones en que las partículas son detamaño uniforme, a diferencia de las que poseen tamaños bien gradados); dureza delcemento asfáltico de origen (cementos más duros dan como resultados emulsiones menos

viscosas que las procedentes de cementos asfálticos más blandos); características delmolino utilizando en la dispersión del asfalto en agua; contenido del cemento asfáltico(entre porcentajes de 65% y 70% la viscosidad crece muy rápidamente); naturaleza ycantidad de emulsificante en la emulsión; contenido de fluidificantes en el asfalto base (alagregarle una pequeña cantidad de fluidificantes en asfaltos duros permite disminuir laviscosidad en la emulsión).

AdhesividadLa adhesividad que pueda presentar una emulsión asfáltica frente a un agregado o la

capacidad de envolver al mismo y mantenerse, esta ligado a una serie de factoresdirectamente involucrados con la naturaleza y características del agregado y de la

emulsión utilizada, por lo que resulta una de las propiedades más complejas de serevaluada.Los factores relacionados con la emulsión que pueda influenciar en la adhesividad

alcanzada entre el agregado y la emulsión son: la naturaleza y cantidad del emulsificanteen la emulsión, tipo de asfalto de base utilizado y pH de la emulsión ( valores de pHpróximos a 7 proporcionan mejores adhesividades pero menores estabilidades de laemulsión, mientras que valores alejados de 7 proporcionan emulsiones más estables peroadhesividades menores).

Migliacci y Zambrano (1999) en base a lo anterior argumentan que las emulsionescatiónicas poseen mayor y mejor capacidad de adherencia que las emulsiones aniónicasfrente a la gran mayoría de los agregados minerales. En las primeras prevalece la

reacción físico-química en contacto con la mayor parte de los agregados, aún con los deneto predominio calcáreo, variando en todo caso la velocidad del proceso de un agregadoa otro; será más rápido para un árido silíceo que para uno calcáreo. En las emulsionesaniónicas el proceso principal consiste en la evaporación del agua (excepto que losagregados sean netamente calcáreo, lo cual es muy poco frecuente), por lo tanto son másdependientes de las condiciones atmosféricas, exhiben una rotura de notable lentitud ybaja adherencia.

Espinal (2003), afirma además que las emulsiones presentan una muy buenaadhesividad activa (al momento de mezclarse con el agregado), consecuencia lógica desu fluidez y facilidad de mojar los agregados, al mismo tiempo que una buenaadhesividad pasiva (capacidad de mantener la unión asfalto – agregado, sin peligro de

desplazamiento del ligante, incluso en presencia de agua y tráfico) principalmente en lasemulsiones catiónicas, por la presencia de compuesto tensoactivos en su formulación.

CohesividadLa cohesividad en emulsiones asfálticas es la fuerza aglutinante propia de la mezcla

para pavimentación. Como cita textual Vergara (1994) explica el concepto de lacohesividad: “Se puede definir como la resistencia a la rotura en masa de un ligante. En

el caso de las emulsiones es inicialmente baja, pero va aumentando a medida que se va




eliminando el agua, de modo que al cabo de un tiempo más o menos breve llega a

alcanzar la del asfalto base”.

Lo anterior tiene un principio lógico, ya que al colocar la emulsión en contacto con losagregados pétreos se comienza a separar la fase dispersada de su medio continuo; el agua

se evapora y se acercan los glóbulos de asfalto cuando vencen la fuerza de rechazoelectrostática existente inicialmente entre ellos por la presencia del emulsificante,produciendo un verdadero cemento entre la película residual de asfalto y el agregado, queen masa se traduce a cohesión, aportando la misma cohesión que la del asfalto base.

5.2. Propiedades que condicionan el comportamiento de las emulsionesal utilizarse como ligante en la construcción de pavimentos.

Además de las características químicas que deben cumplir las emulsiones asfálticas,existen un segundo grupo de características tecnológicas que condicionan sucomportamiento y ofrecen una manera de clasificación; las cuales se mencionan a

continuación:

5.2.1. Estabilidad en el almacenamiento

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

a) EspumasPara evitar la formación de espumas en emulsiones asfálticas donde el emulsificantees capaz de formarla, se recomienda no agitar violentamente ni verterla en cascada. Porlo tanto el llenado de depósitos debe hacerse prolongando la tubería hasta unos 20 cm delfondo del tanque. El transporte debe hacerse en cisternas con rompeolas que dividan suinterior.

b) NatasLa nata es considerada como la película endurecida que se forma en la superficie en

contacto con el aire, protegiendo el resto de la emulsión. Para mantenerla es aconsejableel almacenamiento en depósitos cilíndricos, de eje vertical alimentados desde el fondo, ya

que si se rompe trae consecuencias negativas en el flujo de la emulsión asfáltica alformarse grumos indeseables que obstruyen las bombas de alimentación y los difusoresde riego.

c) SedimentosOcurre cuando los glóbulos de asfalto descienden hasta al fondo y se depositan

aumentando la viscosidad en las zonas inferiores del depósito, siendo reversible mientrasno se produzca la rotura de la emulsión. Para contrarrestar este fenómeno se recomienda:




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

d) Mezcla entre emulsiones No se debe mezclar emulsiones aniónicas con catiónicas, ya que tienden a coagular

(romper) por una reacción electroquímica . Si se trata de diluir las emulsiones, deberátenerse en cuenta que el agua de dilución sea básica para la aniónica o ácida para lascatiónicas. Es muy importante la limpieza de los tanques de almacenamiento cuando hancontenido emulsiones de distinto tipo.

e) Aditivos

Cuando se pretende activar las emulsiones porque no se han comportado bien con undeterminado árido, debe hacerse con cautela y conocimiento de los aditivos utilizados(naturaleza y propiedades), ya que estos procedimientos pueden traer consecuenciasnegativas, al provocar la rotura prematura de la emulsión por la incompatibilidad del

activante con el emulsificante.f) Temperatura

A temperaturas comprendidas aproximadamente entre 10 °C y 85 °C las emulsionesasfálticas son consideradas estables y conservan todas sus propiedades. Por debajo de 10°C las micelas de asfalto se endurecen excesivamente, aumentando la viscosidad delasfalto residual y por ende su densidad, favoreciendo la sedimentación.

Un aumento de la temperatura incrementa la energía cinética de las moléculas delemulsificante, por lo que fácilmente abandonan los glóbulos de asfalto, disminuyendo laestabilidad de la emulsión. Además de producirse la evaporación del agua se forman

natas en la superficie del líquido, las cuales obstruyen las bombas y los difusores deriego.

5.2.2. Estabilidad de la emulsión ante los agregados

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

5.2.3. Características del residuo asfáltico

Las características y propiedades del cemento asfáltico condicionan elcomportamiento de las emulsiones asfálticas como ligante en la construcción depavimentos. La viscosidad, la presencia de fluidificantes (en exceso retrasa la cohesiónfinal) y la dureza del asfalto residual pueden considerarse como las de mayorimportancia.




6. CONTROL DE CALIDAD DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS

6.1. Concepto de control de calidad

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

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

Para determinar las características de una emulsión asfáltica es preciso una correctainterpretación de los resultados de los ensayos de laboratorio. Normalmente los objetivosde los ensayos son:

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

y actuación en el campo del material.

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

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

6.2. Control de calidad en la fabricación

6.2.1. Tamaño de gota de la emulsión

Para determinar el tamaño de gota de la emulsión se puede utilizar cualquiera de lastécnicas apropiadas de medición. Nuestro laboratorio dispone de un equipo de difracciónde luz coherente (láser) - Analizador de partículas MALVERN, MASTERSIZER modelo

3600. Su funcionamiento se basa en hacer pasar un haz paralelo de luz coherentemonocromática a través de una pequeña zona conteniendo partículas o gotas, donde se

forma un patrón de difracción superpuesto a la imagen, mucho más amplio que aquella, elcual pasa a un detector o lente convergente y se ubica en una pantalla en el plano focal dela lente. La luz no difractada forma una imagen en el foco, y la luz difractada forma unconjunto de anillos concéntricos alternativamente blancos y negros llamado patrón deFraunhofer. En la Figuras N° 3 se muestra una foto del equipo disponible y en la Figura 4el principio del analizador.

La tabla de resultados que arroja el equipo, permite determinar la distribución log-

normal de tamaños de partículas, la cual se representa en una línea recta en el gráfico




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

denominadas D v (0.1) y D v (0.9) respectivamente.

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

En cuanto al tamaño medio de la distribución en volumen D[4,3] es mayor que elanterior, y puede ser notablemente diferente si la distribución no es simétrica. En cuantoal tamaño medio de la distribución en superficie D[3,2], llamado también diámetro mediode Sauter, es de importancia cuando se trata de calcular la superficie que puede cubrir laemulsión o la superficie de adsorción de surfactante. Generalmente es menor que el

Dv(0.5) y puede ser considerable la diferencia cuando la distribución tiene cola del ladode los pequeños diámetros, produciendo un error considerable en el cálculo del D[3,2].

6.2.2. Determinación del Potencial de Hidrógeno, ASTM D244.

El pH es una medida del grado de acidez y alcalinidad de la sustancia analizada; suvalor oscila entre 0 y 14. Las sustancias ácidas poseen un pH menor de 7 y las bases oalcalinas un pH mayor de 7, siendo neutras para un valor igual a 7. Una misma emulsiónse comporta de forma diferente según tenga un pH de 4,5 ó de 2,0. La primera tendrá unabuena adhesividad, pero su rompimiento será muy rápido; la segunda tendrá una

adhesividad dentro de los limites aceptables pero su rompimiento será mucho más lento.

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




Equipo Potenciómetro con doble escala (una para la banda

ácida y otra para la banda alcalina) y un dispositivoque permita corregir los efectos de la temperatura. Elvoltímetro del aparato debe de tener una resistencia

interna elevada de 1012

omh, para eliminar losefectos de polarización de los electrodos. Ver FiguraNo. 5

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

6.2.3. Residuo por Destilación según designación ASTM D244-92

Esta prueba tiene por objeto determinar las

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

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

Equipo

Un alambique cilíndrico de hierro con la formay dimensiones mostradas en la norma, Figura 7.

Un quemador anular de 101.6 mm de diámetro,con perforaciones en el contorno interior.

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

Un quemador anular de 50.8 mm de diámetro,con perforaciones en la parte superior.

Un tubo de conexión, una camisa de lámina, unrefrigerante recto con camisa de metal y unaprobeta graduada.

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

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

Figura 5 pH metro con doble escala

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

Figura 7. Equipo utilizado para el ensayo deDestilación




Cálculos:

100200

)(200 21!

""

=

W W R

W1 = Peso de la emulsión, alambique y accesorios, en gr.

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

6.2.4. Residuo por Evaporación ASTM D244

El objeto de esta prueba es determinar el residuo de las emulsiones asfálticas enporcentaje (%), por medio de evaporación rápida. Según estadísticas, se dice que elresiduo así obtenido da resultados de penetración y ductilidad inferiores a los que selogran en el residuo por destilación. Por su fácil ejecución y rapidez en la misma, es elmás utilizado para conocer la concentración de la emulsión y realizar cálculos dedosificación en campo.

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

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

21

21

100

100)(W W

W W R !=

"!

=

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

El valor reportado del residuo por evaporación, deberá ser el promedio de losresultados obtenidos en tres muestras de emulsión.

6.2.5. Residuo por Evaporación modificado ASTMD244 Este ensayo permite controlar la producción de un molinoque produce más de 20 toneladas por hora, siendo necesario

conocer inmediatamente los rangos del residuo.Equipo (Figuras 8 y 9 ) Cacerola o recipiente de lámina con una capacidad 1 lt. Agitador de vidrio o metal con extremos redondeados de

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

aproximación. Estufa eléctrica o de gas pequeña

Fig. 8 Cacerola y Balanzade 1500 gramos.




Cálculos

100)(

)(

13

14!

"

"

=

W W

W W R

W1 = Peso de la Cacerola y agitador, en gr.

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

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

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

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

Equipo (Figura 10 ) Dos probetas de 500 ml de capacidad con tapón de

corcho o vidrio y con diámetro exterior de 5 + 0.5 cm. Pipeta de vidrio de 60 ml de capacidad. Equipo requerido para el ensayo de evaporación rápida.

Se debe determinar en cada una de las extracciones elcontenido asfalto residual por evaporación rápida yregistrar los resultados.

Cálculos

2%

21 ss

s R R R +

= 2

%21 i i

i R R R +

=

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

Fig. 9. Cacerola con emulsióndespués de la evaporación

Fig. 10 Ensayo de Sedimentación




6.2.7. Sedimentación en 24 horas. ASTM D244

Esta prueba es una variante a la anterior, y aparece en sustitución de la prueba desedimentación a 5 días. El procedimiento de la prueba es el mismo, lo único que varía esque la muestra es ensayada en 24 horas y el parámetro de la especificación es diferente.

Cálculos %Rs=

Rs1+ R

s2

2

%Ri=

Ri1+ R

i2

2

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

6.2.8. Sedimentación en caso de nuevas formulaciones

Si la cantidad de emulsión generada en cada experimento es pequeña, menor alvolumen al especificado en la norma (500 ml), se puede llevar a cabo una prueba desedimentación colocando una muestra de la emulsión en cilindros graduados. Cadamuestra se coloca en un tubo de ensayo de 50 ml, se tapa para evitar evaporación, serotula y se toman los datos de volumen de emulsión y la fecha y hora de inicio. A untiempodeterminado, se toma la lectura donde se observa la interfase agua-emulsión.Finalmente, se grafican los datos de altura vs tiempo (ver Figura 11).

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

Esta prueba sirve comocomplemento a la prueba desedimentación y tiene comopropósito determinarcuantitativamente la cantidad deglóbulos de asfalto que pueden nohaberse detectado en la prueba desedimentación y que podríaobstruir el equipo de rociado, así como el espesor y la uniformidadde la película de asfalto sobre elagregado.

Adicionalmente el tamaño de los glóbulos indica una buena o mala estabilidad alpermanecer la emulsión almacenada. Los glóbulos de asfalto con tamaños retenidos en lamalla Nº 20 indican que la emulsión puede tener tendencia a sedimentarse por lo tantocausar un rompimiento prematuro.

Estabilidad de Emulsiones Asfálticas

Poliram - S

0

10

20

30

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tiempo (días)

F a s e A c u o s a S e p a r a d a ( % )

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

Fig. 11. Sedimentación de emulsiones obtenidas con

Poliram –S.




Equipo

Tamiz circular “U.S. Standard con diámetro de 7.6 cm, de abertura cuadrada de0.845 mm, (No. 20) con su fondo y tapa.

Probeta de 500 ml y vaso precipitado de 1000 ml.

Agua destilada o solución jabonosa. Balanza con capacidad de 2000 g y aproximación de 0.1 g.

Cálculos

5100

500%

2121

20

W W W W R

!

="

!

=

%R20 = Porcentaje retenido en el tamiz No. 20

6.2.10. Carga eléctrica. ASTM D-244.

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

Equipo ( Figura 12 ) Un dispositivo que proporcione una corriente

eléctrica directa de 12 voltios, provisto deresistencia variable y un miliamperímetro.

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

Vaso precipitado de vidrio, con capacidad 150 ml. Un cronómetro.

6.3. Control de calidad en la aplicación

6.3.1. Viscosidad SAYBOLT-FUROL. ASTM D244-D88.La viscosidad se define como la resistencia al flujo de un líquido. En el caso de las

emulsiones, la prueba se define como una medida de la consistencia de la misma y por lotanto da una idea de sus posibilidades de aplicación y comportamiento en un casodeterminado. Los resultados se reportan en segundos. Por conveniencia y precisión deensayo, se emplean dos temperaturas de prueba, que cubre el intervalo normal de trabajo:25°C y 50 C°.

Fig 12. Dispositivo de medición decarga.




Equipo Viscosímetro Saybolt Furol normalizado. Baño de agua con temperatura controlable. Un vaso especial volumétrico de vidrio refractario de 400 ml.

Malla de abertura cuadrada U.S. Standard de 0.841 mm (No. 20)6.3.2. Miscibilidad de las emulsiones con Cemento Portland ASTM D 244

La prueba se aplica a las emulsiones aniónicas y en algunos casos especiales a lascatiónicas con la finalidad de conocer la estabilidad de la emulsión al mezclarse con unmaterial tan fino como el cemento. El ensayo consiste en medir el porcentaje de grumosque se obtienen cuando la emulsión pierde estabilidad al mezclarse con el cemento. Porconsiguiente, el valor (% con respecto a la cantidad de emulsión de prueba, 100 g) es unindicativo de el elevado grado de estabilidad química de algunas emulsiones de roturalenta. Muy pocos emulsificantes son capaces de generar emulsiones que pasen este duroensayo.

Equipo

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

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

6.3.3. Miscibilidad con agua ASTM D 244

Esta prueba tiene como finalidad investigar si las emulsiones de rotura media o lentapueden mezclarse con el agua. No es aplicable a emulsiones de rotura rápida. Despuésde adicionarle agua a la emulsión se procede a agitar la mezcla, se deja la muestra enreposo durante dos horas, luego de ese período de tiempo se examina visualmente paradeterminar una posible coagulación de los glóbulos de asfalto en la muestra.

Esta prueba es una medida de calidad del producto, además indica si la emulsión escapaz de mezclarse con agua o ser diluida en ella. A menudo se forma un deposito

espeso de emulsión en el fondo del recipiente, si es pequeño, ello significará que laemulsión ha sido apropiadamente formulada y que las partículas en dispersión están en elintervalo del tamaño deseado.

6.3.4. Ensayos de cubrimiento

Para este ensayo, se mezclan las emulsiones con un material de prueba, de tipo silíceode cierta granulometría. El material de prueba se subdivide en porciones; a cada muestra




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

Se añade una cantidad de emulsión determinada y se mezcla el conjunto manualmente

en un recipiente, con ayuda de una paleta, hasta que se observe que la emulsión ha sidorepartida uniformemente en el material. El material cubierto se extiende en papelperiódico por 24 horas, o hasta que se observe que el agua ha sido eliminada porcompleto. Finalmente, se prepara una briqueta, utilizando un equipo Hubbar Field, paradeterminar las características de adhesión del asfalto residual con el agregado. Luego depreparada la briqueta, se debe esperar 24 horas para proceder a su ruptura, y de estamanera determinar si su resistencia es la adecuada para el propósito requerido.

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

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

100

Donde: P= % en peso de asfalto, basado en peso de agregado.A= % de agregado pasante del tamiz de 1” y retenido en el Nº 8B= % de agregado pasante del tamiz N° 8 y retenido en el Nº 200C= % de agregado pasante del tamiz Nº 200

6.3.5. Ensayos de rompimiento

Este ensayo tiene por objeto determinar el tipo de rompimiento de una emulsión(lento, medio o rápido) según la cantidad de cemento que origina la ruptura. Se utiliza un

equipo con agitación continua (150 rpm) provisto de un recipiente cilíndrico, con

capacidad de 34 g de emulsión, y un agitador de tipo ancla. Se pesa el sistema (recipiente,agitador y emulsión) y luego se adiciona el cemento portland a razón de 0.2 a 0.3 g/s

hasta rotura completa, la cantidad de cemento añadida se estima por diferencia de peso.

7. APLICACIONES DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS

El Instituto del Asfalto y la Asociación de Fabricantes de Emulsiones Asfálticas

publicaron en forma conjunta un manual básico sobre emulsiones asfálticas. Allí

comentan que las emulsiones como tal, fueron desarrolladas por primera vez a comienzosdel siglo XX, y su uso fue creciendo de manera re relativamente lenta, limitados por el

tipo de emulsión disponible y por la falta de conocimiento sobre su correcta aplicación.

Cabe destacar que, por el desarrollo no interrumpido de nuevos tipos y grados, sumando aequipos de construcción y prácticamente mejorados, ofrece ahora una amplia gama deelección. A continuación se presentan los principales usos de las emulsiones asfálticas.




a) Tratamiento Superficial

Riego pulverizado Sellado con arena Lechadas

Micro aglomerados Capa seal

b) Reciclado de asfaltoc)

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

d) Otras aplicaciones

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

8. VENTAJAS DE LAS EMULSIONES ASFALTICAS

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

Las emulsiones asfálticas no requieren la incorporación de un solvente de petróleopara ser líquida, ni tampoco necesitan calentamiento para ser utilizados, por lotanto contribuyen en el ahorro de energía. Permite reducir la contaminación, ya que elimina hacia la atmósfera poco o nada

de sustancia hidrocarbonadas. La capacidad de ciertos tipo de emulsiones de recubrir la superficie de agregados

húmedos, reduciendo la necesidades de combustible para calentar y secar los

agregados. La disponibilidad de una variedad de tipos de emulsión. Se han desarrolladonuevas formulaciones y técnicas de laboratorio mejoradas con el fin de satisfacerlos requerimientos de diseño y construcción. La posibilidad de utilizar materiales en frío en lugares remotos. La aplicación de emulsiones en manteniendo preventivo de pavimentos,

incrementando la vida útil de pavimentos existentes ligeramente deteriorados.




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

Este método fue desarrollado en la Universidad de Illinois (E.E.U.U.) por Michael

Darter, Patrick Wilkey, Steven Ahlfield y Richard Wasill, en Febrero de 1978. Elmétodo y los criterios de ensayo recomendados son aplicables a mezclas en vía o mezclasen planta, que contenga cualquier grado de emulsión y agregado mineral con gradacióndensa y tamaño máximos de una pulgada (25 mm), elaboradas a temperatura ambiente.

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

tráfico (vías de penetración).El objetivo del método es proveer una cantidad adecuada de asfalto residual que

económicamente estabilice el material granular con el fin de dar resistencia o estabilidadrequerida para soportar las aplicaciones de carga repetidas (Compresión y Flexión) sinuna deformación permanente excesiva o rotura por fatiga y volver la mezclasuficientemente resistente a los efectos de cambio de humedad.

Se recomienda este diseño para mezclas en vía o en planta preparadas a temperaturaambiente. El procedimiento intenta simular lo más aproximadamente posible lascondiciones reales de campo. Los resultados obtenidos a través de este método sonbastantes confiables, sin embargo el nivel de confiabilidad final dependerá de la calidadde los materiales que participan en la mezcla. Para mayor información consulte el

apéndice C.Se propone realizar un diseño de mezcla asfáltica densamente gradada en frío capaz

de satisfacer las propiedades de estabilidad, durabilidad, impermeabilidad, flexibilidad,trabajabilidad y economía, que sea resistente a la fatiga y al deslizamiento, para serutilizado en pavimentos económicos con un alto porcentaje de tráfico pesado y quecumpla con los requisitos establecidos por la A.S.T.M. D 4215 – 87 (1992) de mezclasbituminosas en frío para pavimentación.

8.2. Objetivos del diseño de mezcla.

Una vez establecido el agregado y seleccionado el tipo de emulsión a utilizar, el

basamento principal del diseño de mezcla asfáltica ha sido el de unir estos dos elementosen una proporción que han sido consideradas en el diseño, con la finalidad de obtener unamezcla con las siguientes características:

Un contenido de asfalto necesario para cubrir el agregado pétreo, alcanzado lamayor cobertura posible sin excederse ( lo que podría ocasionar exudación einestabilidad en la mezcla y otros efectos negativos). Asegurando así que al ser




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

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

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

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

8.3. Etapas del diseño

8.3.1. Caracterización y ensayos de calidad al agregado pétreo

Se debe caracterizar el agregado pétreo y establecer su factibilidad para ser utilizado

en la mezcla asfáltica mediante la elaboración de ensayos de acuerdo a lo establecido enlas especificaciones.

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

Análisis granulométrico:

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

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

Peso específico y absorción:

- Método de Prueba Estándar para determinar el Peso Unitario Suelto del

agregado, de acuerdo al procedimiento descrito en la designación ASTM C40.- Método de Prueba Estándar para determinar la Gravedad Específica y Absorción

del agregado grueso, de acuerdo al procedimiento descrito en las designacionesA.S.T.M. C127 y AASHTO T85.

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




Equivalente de arena:

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

Método de Prueba Estándar para determinar la Resistencia a la Degradaciónpor Abrasión e Impacto de los agregados gruesos: utilizando la Máquina de losAngeles, de acuerdo al procedimiento descrito en las designaciones A.S.T.M. C131y AASHTO T96.

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

Otros ensayos de calidad

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

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

8.3.2. Caracterización y ensayos de calidad de la emulsión asfáltica

Se basa en realizar todos los ensayos correspondientes a la emulsión asfáltica autilizar en la mezcla, a modo de verificar las características obtenidas en la formulación

preparada. Los ensayos de control de calidad más importantes, que se deben realizar alas emulsiones a usar con un determinado árido han sido descritos :

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

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

El procedimiento necesario para obtener el porcentaje óptimo de emulsión, serealizará siguiendo el método propuesto por la Universidad de Illinois y haciendo uso desus fórmulas. El Porcentaje Óptimo Teórico de Emulsión también puede ser calculadoutilizando el Método de Duriez y por el Método de Ensayo C.K.E (Equivalente deKerosene Centrifugado). Siendo este último muy engorroso, ya que requiere de variosprocedimientos laboriosos que conllevan, además, a la utilización de equipos y materialesdifíciles de conseguir en cualquier laboratorio. Por lo tanto, a continuación explicaremoslos otros dos métodos mencionados:




Método de superficie específica de Duriez

Consiste en determinar aproximadamente el área superficial del agregado basado ensu gradación, utilizando un factor de corrección denominado “Modulo de Riqueza”. Enprimer lugar se calcula la contribución de cada fracción por separado mediante:

F.S.E.(m

2

kg) =

2.5

(D"d)1/2

Siendo:F.S.E. = Factor de superficie específica del agregado.D = Tamaño máximo del agregado (diámetro mayor, en mm).d = Tamaño mínimo del agregado (diámetro menor, en mm).

Ejemplo:

Para los agregados que pasan la malla de 3/8” y son retenidos en la malla de ¼”, para

determinar el factor de superficie específica, se determina con la siguiente formula:D = 3/8” = 9.55 mm

d = ¼” = 6.38 mm

F.S.E.(m

2

kg) =

2.5

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

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

Para cada fracción del agregado se aplica la ecuación anterior, obteniéndose los

respectivos factores de superficie específica, los cuales se multiplican por el porcentajeretenido parcial en el tamiz de abertura menor. Además, la suma de los porcentajeretenidos parciales en cada tamiz es igual a 100%. Por lo tanto, el área final estará dadapor la sumatoria de la áreas parciales determinadas para cada fracción y divida entre100%.

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

S.E =

FSE1 x %Ret1 + FSE2 x %Ret2 + FSE3 x %Ret3 + ..

100

Siendo:

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

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




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

5

Siendo:

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

El factor A es utilizado únicamente en mezclas abiertas y lechadas asfálticas, para lasdemás mezclas se toma el valor de 1. Es una variable que depende del peso específicodel agregado y se obtiene mediante la siguiente formula:

PE A !"= 37143.098857.1

Siendo:

A = Factor de corrección por densidad.PE = Peso específico del agregado

El factor K depende del tipo de granulometría del material, sus valores se reflejan enla Tabla 4:

Tabla No. 4 Valores de K

VALORES DE K

MEZCLA NORMA K

AL - 2 4,4 - 4,5

AL - 3 4,5 - 4,8 LECHADA

AL - 4 4,9 - 5,1 DENSA 3,7 - 4,0

GRAVA -EMULSION 2,5 - 2,7

ROD. 3,5 - 3,7 ABIERTA

OTROS. 2,5 - 2,7 ARENA -

EMULSION 3,2

El porcentaje de emulsión en la mezcla se calcula por:

%E =

%CA

C

"100

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




Método propuesto por la Universidad de Illinois:

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

0.5C0.1B0.05AE ++=

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

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

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

Vergara (1994) de acuerdo a experiencias realizadas en Venezuela, utilizando estaformula en mezclas con agregados procesados, semi-procesados, gravas, arenas y arenaslimosas, establece un factor de corrección de la formula original alrededor de 0.85,quedando de la siguiente forma:

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

En todo caso, los resultados obtenidos por cualquiera de los métodos existentes,pueden ser ajustados en base a la experiencia con agregados de naturaleza ygranulometría similar. Además, se recomienda determinar el porcentaje de emulsión porlos dos métodos y utilizar el promedio para considerar ambos procedimientos.

8.3.4. Definición del tipo de emulsión y humedad óptima de mezclado

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

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




Por otra parte, aquellas emulsiones que no desarrollen sobre los agregados unsuficiente cubrimiento no deberán ser utilizadas para realizar mezclas de prueba con losagregados seleccionados para determinar el tipo y grado de emulsión a usar en elproyecto.

Equipo de laboratorio requerido Figs 12, 13 14.

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

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

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

Horno para mantener temperatura hasta 105 + 5 oC. Cucharas de mezclado, metálicas.

Una probeta graduada de 100 ml de capacidad.

8.3.5. Contenido Óptimo de Humedad de Compactación.

En los proyectos de mezclas hay que tomar en cuenta él porcentaje óptimo de agua ausar en la compactación, ya que su contenido define las propiedades de densificación de

las muestras compactadas. A partir del porcentaje óptimo de Humedad de Cobertura sepreparan muestras con diferentes contenido de humedad -generalmente se elaboran tresbriquetas por cada contenido de humedad en la compactación, comenzando a partir delvalor del porcentaje óptimo de compactación y siguiendo de manera decreciente hastacompletar el número de muestras.

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

Fig. 14. Agregando la cantidadde emulsión necesaria.

Figura 12. Mezcla del agregado +agua + emulsión.

Figura 13. Muestras con diferentescontenidos de agua deremezclado.




estabilidad para cada una de las briquetas, se prepara un gráfico de estabilidad MarshallModificado vs % de agua en la compactación. Se seleccionará el máximo valor deestabilidad de la curva obtenida como el óptimo de humedad en la compactación. Estevalor debe ser usado en todas las siguientes compactaciones independiente del contenidode cemento asfáltico.

8.3.6. Variación del contenido de asfalto residual

El Contenido de asfalto residual en una muestra agregado-emulsión asfáltica, debedeterminarse a través de una series de ensayos sobre muestras con diferentes contenidosde asfalto. Generalmente son suficiente cinco (5) muestras con una variación de 1% porvez del porcentaje teórico determinado en el punto c), con dos (2) incrementos porencima y dos (2) por debajo del óptimo teórico determinado previamente.

Estas muestras se compactan, se someten a un curado dentro de un molde por 24horas, se colocan en un horno a una temperatura de 38 °C, y una vez curadas son medidas

para determinar su espesor. Este ensayo requiere de la elaboración de treinta (30)briquetas (seis (6) briquetas por cada diferente contenido de asfalto residual, de las cualesquince (15) serán falladas al aire una vez determinada su densidad y quince(15) seránsometidas a un ensayo de inmersión y vacío parcial.

8.3.7. Determinación de las propiedades mecánicas de la mezcla compactada

Es necesario realizar una serie de ensayos y análisis de la mezcla compacta paracompletar el diseño de la mezcla:

Gravedad Específica Bulk

El método empleado es el ensayo A.S.T.M. D 2726 “ Determinación de la gravedadespecífica bulk y la densidad de mezclas asfálticas compactadas usando muestrassaturadas y superficialmente secas”.

Es usado solamente con mezclas compactadas densamente gradadas, prácticamenteno absorbentes, ya que al determinar el peso de la briqueta en el agua, se requiere queesta absorba la menor cantidad posible de agua.

Ensayo de Estabilidad Modificada y Flujo

Después de determinar la densidad bulk sobre

las briquetas curadas se realizan los ensayos deestabilidad y flujo, utilizando la prensa Marshall,Figura 15, haciendo la corrección por espesor ovolumen a cada briqueta. Las briquetas falladasse colocan en el horno para determinar lahumedad de la briqueta al momento de fallar.

Figura 15 Prensa Marsahll




Ensayo de Estabilidad Sumergida y Flujo

Por cada contenido de asfalto residual se elaboran seis6 briquetas, por lo que tres briquetas son sumergidastotalmente en agua dentro de un vaso desecador y se

somete a una presión de vacío constante e igual a 100mm de Hg, Figura 16, durante una hora, que sedisminuye paulatinamente, en una hora adicional, arazón de 25 mm de Hg. cada 15 minutos, hasta llevarlade nuevo a la presión atmosférica. Luego de ensayartodas las briquetas para cada contenido de asfaltoresidual se determina la pérdida de estabilidad,comparando las estabilidades en las briquetas falladasal aire con las obtenidas en las briquetas falladas luegode inmersión y vacío parcial.

Análisis de Densidad y VacíosLa Densidad seca bulk de cada briqueta se determina al multiplicar la gravedad

específica bulk seca (Gd) por 1000 (densidad del agua a 25 oC). Mientras que para losvacíos es necesario determinar previamente los pesos específicos bulk del agregado ensus fracciones (grueso, fino y filler) mediante los ensayos respectivos y el peso específicodel cemento asfáltico. A partir de una serie de ecuaciones, Apéndice B, se determinanlos vacíos en la mezcla compactada:

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

Vacíos con aire.Los vacíos son calculados para cada briqueta y cualquier valor que sea mayor del

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

Absorción

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

8.3.8. Tendencias de las curvasCalculados los diferentes parámetros mencionados en el punto anterior para las treinta

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

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

Figura 16. Proceso de inmersión a unapresión de 100 mm de Hg




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

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

En los resultados es común observar lo siguiente:

La estabilidad de las muestras sometidas a inmersión, generalmente revela unmáximo para un valor particular de contenido de asfalto residual, mientras que laestabilidad seca generalmente presentará una continua disminución con elincremento del contenido de asfalto. Algunas mezclas pueden presentar uncontinuo incremento en la estabilidad sumergida al aumentar el residuo asfáltico, lo

cual indica un efecto benéfico al adicionar asfalto, sobre la estabilidad sumergida. La pérdida de estabilidad en porcentaje generalmente disminuye al incrementar elcontenido de asfalto residual.

La densidad bulk seca usualmente alcanza un máximo valor para un contenidoparticular de asfalto residual.

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

El porcentaje de vacíos totales (aire más humedad) decrece al incrementar el

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

8.3.9. Determinación del contenido de asfalto óptimo

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

La mezcla compactada debe presentar una adecuada estabilidad cuando se ensayaen condición sumergida, para proveer adecuada resistencia a las cargas del tráfico

durante las estaciones de lluvia. El porcentaje de pérdida de estabilidad de la muestra ensayada después de“inmersión” respecto a la prueba en seco, no debe ser excesivo. Un porcentaje deperdida alto indica que la mezcla tiene una alta susceptibilidad a la humedad quepuede provocar su desintegración en prematura. Los vacíos totales dentro de la mezcla deben estar dentro de un rango aceptablepara evitar deformaciones permanentes. Vacíos muy altos conllevan alta absorción




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

La absorción de humedad en la mezcla no debe ser excesiva para minimizar el

potencial de pérdida de adherencia entre el asfalto residual y el agregado. El asfalto residual debe suministrar un adecuado recubrimiento del agregado yeste recubrimiento debe ser resistente al desprendimiento y abrasión.

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

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

Tabla 5. Criterios de diseño Método Marshall Modificado

PROPIEDADES MÍNIMO MÁXIMO

ESTABILIDAD A 22 oC (lbs.)

Para bases 500 -Para rodamientos 750 -

PORCENTAJE DE PERDIDA DE ESTABILIDAD DESPUÉS DELA SATURACIÓN E INMERSIÓN AL VACÍO

Para bases - 50Para rodamientos - 25

PORCENTAJE DE COBRETURA DEL AGREGADO

Para bases 50 -Para rodamientos 75 -

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

año 1.992




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ANEXO: Distribución de tamaños de partículas



Texto: Emulsiones asfálticas

Autor: Carlos Luis Bracho

Referencia: Cuaderno FIRP S336C

Versión #2 (2002)

Editado y publicado por: Laboratorio FIRP Escuela de INGENIERIA QUIMICA,

UNIVERSIDAD de Los ANDESMérida 5101 VENEZUELA

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