Asfaltos
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ASFALTOS Es uno de los principales constituyentes de una HMA, actúa como la cola que mantiene el pavimento uniforme (Anderson, Youtcheff, Zupanick, 2000) Según ASTM D 8: Asfalto : Material marrón a negro en elcual los principales constituyentes son betunes, los cuales existen en la naturaleza y son obtenidos en el procesamiento del petróleo. Cemento Asfáltico : Asfalto especialmente preparado para el uso directo de pavimentos betuminosos, presentando una penetración a 25ºC entre 5 y 300, bajo una carga de 100 gramos aplicada por 5 segundos. Betún : Sustancia negra u obscura natural o manufacturada, compuesta principalmente de hidrocarburos de alto peso molecular. En esta presentación se usará el término genérico de “ligante asfáltico” para representar al principal agente ligante en un HMA. El ligante asfáltico incluye el cemento asfáltico así como cualquier otro material adicionado para modificar las propiedades originales del mismo.
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Presentación sobre asfaltos.
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ASFALTOS
Es uno de los principales constituyentes de una HMA, actúa como la cola que mantiene el pavimento uniforme (Anderson, Youtcheff, Zupanick, 2000)
Según ASTM D 8:
Asfalto: Material marrón a negro en elcual los principales constituyentes son betunes, los cuales existen en la naturaleza y son obtenidos en el procesamiento del petróleo.
Cemento Asfáltico: Asfalto especialmente preparado para el uso directo de pavimentos betuminosos, presentando una penetración a 25ºC entre 5 y 300, bajo una carga de 100 gramos aplicada por 5 segundos.Betún: Sustancia negra u obscura natural o manufacturada, compuesta principalmente de hidrocarburos de alto peso molecular.
En esta presentación se usará el término genérico de “ligante asfáltico” para representar al principal agente ligante en un HMA.
El ligante asfáltico incluye el cemento asfáltico así como cualquier otro material adicionado para modificar las propiedades originales del mismo.
ASFALTOS
Primer uso por los Sumerios (3000 BC)
Incas (1500 AC)
Primer pavimento flexible en USA (1870)
Lago Trinidad U.S., primer fuente de ligante asfáltico, suministró 90% del asfalto a nivel mundial entre 1875-1900 (Baker, 1903).El asfalto fue obtenido del lago con un área superficial de 465.000 m2 y 24 m de profundidad.
El asfalto una vez libre de agua resultaba muy duro para emplearlo en pavimentación
ASFALTOS
REFINACIÓN
En términos simples, el ligante asfáltico es el residuo del proceso de refinación del petróleo.La composición del crudo, del cual el asfalto es obtenido puede variar ampliamente.
El API clasifica los aceites crudos por su gravedad, la cual es una expresión de la densidad del material a 15.5ºC.
ASFALTOS
PROPIEDADES QUÍMICAS
PROPIEDADES FÍSICAS
DURABILIDAD
Es la medida de cómo las propiedades físicas del ligante asfáltico cambian con el tiempo.Por lo general con el tiempo una asfalto se torna más rígido y quebradizo, esto debido a una serie de factores entre ellos (Roberts et. Al. 1996):
Oxidación: Reacción del oxígeno con el ligante asfáltico
Volatilización: Evaporación de los constituyentes más ligeros, en principio es función de la temperatura y ocurre principalmente durante la producción de HMA.Polimerización: Formación de moléculas de mayor dimensión
Tixotropía: Resultante de partículas hidrofílicas en suspensión debido al reposo del asfalto. Pavimentos con poco o ningún tráfico presentan este fenómeno.Sinéresis: Separación de líquidos menos viscosos de la red molecular.
Separación: Remoción de constituyentes oleosos, resinas o asfaltenos por absorción de algunos agregados porosos.
ASFALTOS
PROPIEDADES FÍSICAS
DURABILIDAD
Ensayos de Envejecimiento del ligante a corto y largo plazo
Ensayos de Envejecimiento típicos son:
-Película delgada (Thin Film Oven, TFO)
-Película delgada giratoria (Rolling Thin Film Oven, RTFO).
-Vaso de Presión (Pressure Aging Vessel, PAV)
Película delgada (Thin Film Oven, TFO)
AASHTO T 179 and ASTM D 1754:
De corto plazo, consiste en calentar una película de ligante asfáltico por 5 horas a 163ºCLos efectos del calor y del aire son determinados a partir de cambios en las propiedades físicas medidas antes y después del ensayo.
ASFALTOS
PROPIEDADES FÍSICAS
DURABILIDAD
Película delgada giratoria (Rolling Thin Film Oven, RTFO).SUPERPAVE
De corto plazo, consiste en calentar una película de ligante en movimiento en una estufa a 163ºC durante 85 minutos.
Este ensayo se considera superior al TFO debido a:
Menor tiempo (85 min Vs 5 hrs)
Acción Giratoria que:
a) Permite exposición continua de la muestra al calor y flujo de aire
b) Permite que agentes modificantes (si usados) permanezcan dispersos
c) Evita la formación de una película que inhiba el envejecimiento
AASHTO T240
PROPIEDADES FÍSICAS
DURABILIDAD
Vaso de Presión (Pressure Aging Vessel, PAV)
ASFALTOS
Fue adoptado por Superpave para simular los efectos de largo plazo después de 10 años de servicio de un HMA. (Bahia&Anderson, 1994).
Emplea muestras del ensayadas mediante el RTFO y las expone a alta presión (2070 kPa) y temperatura de 90ºC por 20 horas.
AASHTO PP1
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Es el estudio de la deformación y flujo de la materia.
La deformación y flujo del ligante es importante en una HMA para predeterminar el desempeño de la misma.
Pavimentos que se deforman o fluyen demasiado presentan ahuellamiento o exudación, mientras que los muy rígidos pueden presentar fatiga o fisuración térmica.
La deformación de una HMA se relaciona a la reología del ligante asfáltico.
Las propiedades reológicas del ligante asfáltico dependen de la temepratura, mientras que la caracterización reológica dependerá de dos consideraciones clave:
a) Para comparar diferentes ligantes asfálticos, sus propiedades reológicas deben ser medidas a una temperatura de referencia común a ambos.b) Para caracterizar un ligante asfáltico, sus propiedades reológicas deben ser analizadas a lo largo de un rango de temperaturas a las cual el mismo podría estar sometido a o largo de su vida útil.
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Ensayo de Penetración
Es el ensayo más antiguo. Bowen & Barber Asphalt Paving Co (1888) fueron los inventores. (Halstead&Welborn, 1974).Su principio básico era determinar la profundidad a la cual una aguja de coser Nº2 penetraba una muestra de asfalto bajo condiciones específicas de carga, tiempo y temperatura.
En 1915, la ASTM especifica la marca de la aguja (R.J. Roberts Parabola Sharps No. 2) (Halstead and Welborn, 1974).
Fundir y enfriar la muestra de ligante asfáltico bajo condiciones controladas
Medir la penetración de una aguja padrón en la muestra de ligante asfáltico, bajo las siguientes condiciones:
Carga = 100 gramosTemperatura = 25° C (77° F)
Tiempo = 5 segundos
La penetración se mide en unidades de 0.1 mm, por ejemplo si la aguja penetra 8 mm, el grado del asfalto será 80.El ensayo es el AASHTO T49 ASTM D 5
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Punto de Ablandamiento
Es la temperatura a la cual una muestra betuminosa no puede soportar más el peso de una esfera de acero de 3.5 g.Consiste en que dos discos horizontales de asfalto son calentados a una tasa constante en un baño de agua, mientras que cada uno soporta una esfera de acero. El punto de ablandamiento es reportado como la crítica de las temperaturas a la cual los dos discos se ablandan tanto que permiten que cada esfera caiga una distancia de 25 mm (1”). (AASHTO 2000).
AASHTO T 53 and ASTM D 36: Softening Point of Bitumen (Ring-and-Ball Apparatus)
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Viscosidad Absoluta (Dinámica) a 60ºC
Viscosidad es la simple medición de la resistencia de un fluido al fluir y se describe mediante la siguiente ecuación:
μ= viscosidad (en cgs de poise) g/cm.seg
τ = tensión de corte
γ=tasa de corte
La viscosidad se acostumbra medir a 60º C debido a que esta es la mayor temperatura que experimentan los pavimentos en USA
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Viscosidad Absoluta (Dinámica) a 60ºC
El ensayo mide el tiempo que toma determinado volumen de ligante asfático en ser desplazado a través de un tubo capilar por vácuo, bajo condiciones estrictamente controladas de vacío y temperatura (ASTM 2001).
AASHTO T 202 and ASTM D 2171: Viscosity of Asphalts by Vacuum Capillary Viscometer
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Viscosidad Cinemática a 135ºC
Es la viscosidad dividida por la densidad del líquido a la temperatura de la medición.
La temperatura de 135ºC fue elegida para representas las temperaturas de mezcla y extendido, encontradas comúnmente en construcción de HMA.
La temperatura de 135ºC fue elegida para representas las temperaturas de mezcla y extendido, encontradas comúnmente en construcción de HMA.
AASHTO T 201 and ASTM D 2170: Kinematic Viscosity of Asphalts (Bitumens)
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Ductilidad
El ensayo de ductilidad mide la ductilidad del ligante asfáltico estirando una briqueta de tamaño padrón hasta que esta se rompe.
La distancia estirada en cm hasta el rompimiento es reportada como ductilidad.
Resultado de uso limitado puesto que este ensayo sólo se efectúa a 25ºC.
AASHTO T 51 and ASTM D 113: Ductility of Bituminous Materials
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Viscosímetro Rotacional Brookfield (RV) - Superpave
Es empleado en los sistemas Superpave para ensayar viscosidades a altas temperaturas (es realizado a 135ºC).El ensayo mide el torque requerido para mantener una velocidad rotacional constante (20 RPM) de un uso cilíndrico sumergido en ligante asfáltico a una temperatura constante.Este torque es convertido a viscosidad automáticamente por el RV.Las medidas del viscosidad obtenidas mediante el RV son empleados para simular la trabajabilidad del ligante a temperaturas de mezclado y extendido.El objetivo es asegurarse que el ligante asfáltico es lo suficiente fluido para bombeo y mezcla, Superpave especifica viscosidades máximas de RV.
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Reómetro Dinámico de Corte (Dynamic Shear Rheometer DSR) - Superpave
Empleado en los sistemas Superpave para ensayar viscosidades a temperaturas medias a altas (46ºC a 82ºC). Las temperaturas anticipadas en el área donde se prevé colocar el ligante asfáltico determinará las temperaturas a ser empleadas en el ensayo.El ensayo DSR emplea una muestra delgada de ligante asfáltico entre dos placas.
La placa inferior se encuentra fija mientras que la superior oscila de manera alterna sobre la muestra a una frecuencia de 1.59 Hz de manera a crear una acción de corte.
Las oscilaciones a 1.59 Hz (10 radianes/seg) tienen por objeto simular la acción de corte correspondiente a una velocidad de tráfico de alrededor de 90 km/hr.
El módulo complejo de corte G* y el ángulo de fase son determinados por:
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Reómetro Dinámico de Corte (Dynamic Shear Rheometer DSR) - Superpave
G* y d son empleados para predecir dos parámetros de desempeño en una HMA:
1) Ahuellamiento : Para resistir al ahuellamiento, un ligante asfáltico debe ser resistente (no deformar demasiado) y elástico (volver a su posición inicial después de la deformación).
Por tanto, la porción elástica del módulo complejo de corte G*cos(d) debe ser alta. Superpave especifica un valor mínimo del componente elástico dentro del módulo complejo de corte G*2) Fatiga : Para que una HMA resista a la fisuración por fatiga el ligante asfáltico debe ser elástico pero no muy rígido. Por tanto, la porción viscosa del ligante G*sen(d) debe ser pequeña. Superpave especifica el máximo valor para el componente viscoso de un ligante dentro del módulo complejo de corte.
AASHTO TP 5: Determining the Rheological Properties of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR)
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Reómetro de la Viga de Flexión (Bending Beam Rheometer BBR) - Superpave
Es empleado por sistemas Superpave para ensayar ligantes asfálticos en bajas temperaturas en las cuales el mecanismo crítico de falla es la fisuración térmica.
Consiste básicamente en someter una viga de ligante asfáltico a una carga de 100 g durante 240 sdegundos, luego mediante la teoría básica de vigas, se determina la rigidez (S(t)) y la tasa de variación de esa rigidez m-value, conforme la carga es aplicada.
AASHTO TP1: Method for Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder Using the
Bending Beam Rheometer
PROPIEDADES FÍSICAS
REOLOGÍA
ASFALTOS
Ensayo Directo de Tracción (Direct Tension Test DTT) - Superpave
Empleado para complementar el ensayo BBR.
Es empleado debido a que la rigidez a fluencia S(t) medido mediante el ensayo BBR no es suficiente para predecir la fisuración térmica en algunos ligantes asfálticos de alta rigidez a fluencia (>300 Mpa).Algunos ligantes asfálticos (especialmente aquellos con ligante asfáltico modificado) pueden deformarse bastante antes de romperse de manera a que pueden absorver altas tensiones térmicas sin sufrir fisuración.
El ensayo DTT identifica esos ligantes asfálticos y es usado en conjunto con ensayos BBR de alta rigidez a la fluencia (300-600 Mpa), ligantes asfálticos con valores de rigidez a fluencia debajo de 300 Mpa no requieren el ensayo DTT.
AASHTO TP 3: Method for Determining the Fracture Properties of Asphalt Binder in Direct Tension (DT)
PROPIEDADES FÍSICAS
Ensayo de Gravedad específica
AASHTO T 228 and ASTM D 70: Specific Gravity and Density of Semi-Solid Bituminous Materials
ASFALTOS
AASHTO T 102: Spot Test of Asphaltic Materials
Ensayo Spot Test
Empleado para determinar si un cemento asfáltico ha sido dañado o no por un exceso de temperratura. Este daño se debe a las moléculas son rotas por la acción térmica.
Cementos asfálticos rotos son menos dúctiles y más susceptibles a los efectos del envejecimiento.El ensayo consiste en la cromatografía, una pequeña gota de cemento asfáltico es derramada en papel filtro, si la mancha formada es únicamente marrón el ensayo es negativo, si la mancha es marrón con un punto central negro, el ensayo es positivo. Raramente este ensayo es usado hoy en día.
SISTEMAS DE GRADUACIÓN
En lugar de hacer referencia a una extensa lista de propiedades físicas, los ligantes asfálticos hoy en día son categorizados por sistemas de grados. Estos sistemas varían desde grados simples (ensayo de penetración) a sistemas complejos (grados de desempeño Superpave) y representan la evolución en caracterizar un determinado ligante asfáltico.
ASFALTOS
Grados por Penetración
Se basa en el concepto básico de que mientras menos viscoso es el asfalto, más la aguja penetrará.Ligantes asfálticos con altos números de penetración (suaves – soft) son empleados para climas fríos mientras aquellos con un alto número son empleados para climas calientes.
SISTEMAS DE GRADUACIÓN
ASFALTOS
Ventajas y Desventajas de la clasificación de Grados por Penetración
VENTAJAS DESVENTAJAS
El ensayo es efectuado a 25ºC, cercana a la temperatura típica de un pavimento
El ensayo es empírico y no mide parámetros fundamentales como ser viscosidad
Puede proporcionar una mejor correlación con las propiedades del ligante a bajas temperaturas
Tasa de corte es variable y alta durante el ensayo. Ligantes asfálticos a 25ºC se comportan como no Newtonianos
La susceptibilidad a la temperatura puede ser determinada efectuando el ensayo a otras temperaturas
Se tienen que efectuar más ensayos
El ensayo es rápido y económico, puede efectuarse en campo
No provee información con la cual determinar temperaturas de mezcla y compactación.
Grados por Penetración
SISTEMAS DE GRADUACIÓN
ASFALTOS
Grados por Viscosidad
La clasificación se basa en resultados del ensayo de Películo delgada Giratoria
La viscosidad es medida en poise (dina.seg/cm2. Mientras menor el número de poises, menor es la viscosidad y más fácilmente una substancia fluye. Valores típicos para pavimentación con HMA son AC-10, AC-20, AC-30, AR-4000 y AR-8000.
SISTEMAS DE GRADUACIÓN
ASFALTOS
Grados por Desempeño Superpave (Performance Grade PG)
Se basa en la idea de que el ligante asfáltico de una HMA debe relacionarse a las condiciones bajo las cuales será usado. Para ligantes asfálticos, esto implica condiciones climáticas esperadas y de envejecimiento. Por lo tanto, el sistema PG usa una serie de ensayos pero especifica que un ligante asfáltico determinado debe pasar estos ensayos a temperaturas específicas dependientes de las condiciones climáticas en donde será empleado.
Rolling thin film oven (RTFO) Pressure aging vessel (PAV) Rotational viscometer (RV)
Dynamic shear rheometer (DSR) Bending beam rheometer (BBR)
Direct tension tester (DTT)
SISTEMAS DE GRADUACIÓN
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Grados por Desempeño Superpave (Performance Grade PG)
La clasificación PG se reporta empleando dos números, el primero se refiere a la temperatura promedio máxima de siete días en el pavimento en ºC y el segundo a la temperatura mínima a ser experimentada por el pavimento en ºC.
Ejemplo: PG 58-22
Estas no son temperaturas del aire pero puede usarse la temperatura del mismo mediante un algoritmo empleado en el software LTPP Bind. Ligantes asfálticos que presentan diferencias de más de 90ºC requieren ser modificados.
SISTEMAS DE GRADUACIÓN
ASFALTOS
Grados por Desempeño Superpave (Performance Grade PG)
AASHTO PP6: Practice for Grading or Verifying the Performance Grade of an Asphalt Binder
MODIFICANTES EN LIGANTES ASFÁLTICOS
ASFALTOS
La modificación del cemento asfáltico ha sido practicada por más de 50 años, pero ha cobrado importancia apenas durante la última década. Esto puede ser atribuido a:
Aumento de demanda por pavimentos: aumento de tráfico, cargas y presiones de llantas.
Especificaciones Superpave
Aspectos económicos y medio ambientales: reciclado, bio productos
