ENVEJECIMIENTO DEL ASFALTO EN MEZCLAS

BITUMINOSAS

Ing. Ruben Gamarra TucoEspecialista en Ingeniería de CaminosUCSM – EICAM

Arequipa 07 de febrero del 2008

….No es la riqueza lo que hace posible buenos caminos, más

bien los buenos caminos hacen que la riqueza sea posible.…

Adam Smith

Durabilidad

Capacidad del asfalto de mantener suspropiedades cohesivas y cementantes con el pasodel tiempo frente a la acción de agentes internos yexternos envejecedores.

Susceptibilidad

•La susceptibilidad del ligante al envejecimientodepende en primera instancia de suscaracterísticas particulares:•Origen, método de obtención en la refinería.•Grado de consistencia.•Si el asfalto fue oxidado previamente.

Origen y método de obtención

Origen y método de obtención•Asfalto de petróleo: asfaltoobtenido por destilación delpetróleo.

•Asfalto Natural: asfalto endepósitos de rocas sedimentarias.

•Betún asfáltico: hidrocarburosque cumple con especificacionespara ser utilizado enpavimentación.

•Asfalto sólido (Brea dura):asfaltos cuya penetración atemperatura ambiente es menorque 10 dmm.

Origen y método de obtenciónClasificación:

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

El asfalto procedente de crudos ricos en parafina no es apto parafines viales, precipita a temperaturas bajas, formando unasegunda fase discontinua, lo que da como resultado pérdida deductilidad.

El asfalto es un material bituminoso pues contiene betún, el cuales un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2).

El alquitrán es un material bituminoso pero tiene bajo contenidode betún, mientras que el asfalto está compuesto casienteramente por betún, entre otros compuestos.

Estructura coloidal del asfalto

• El Asfalto es un sistema coloidal complejo?.• Se adopta el Modelo micelar, en el cual existen dos

fases; una discontinua (aromática) formada por losasfáltenos y una continua que rodea y solubiliza a losasfáltenos, denominada maltenos (resinas).

• Los maltenos y asfaltenos existen como islas flotando enel tercer componente del asfalto, los aceites saturados.

Estructura coloidal del asfalto

Envejecimiento del asfalto

Petersen…” O endurecimiento por edad” (age hardening) se debeprincipalmente a la acción conjunta del aire y la temperatura, y susconsecuencias están relacionadas con cambios reológicos queafectan el comportamiento general de la mezcla

Existen tres factores fundamentales que gobierna las causas delendurecimiento del asfalto en las mezclas utilizadas parapavimentación:1. La pérdida de componentes aceitosos, por volatilización o porabsorción de áridos porosos2.Cambios en la composición química causados por reacción conel oxígeno atmosférico.3.Efectos tixotrópicos producidos por estructuración molecular(endurecimiento físico o histérico).

Envejecimiento del asfalto

De Luca…atribuye el envejecimiento a factores diversos quepueden clasificarse en intrínsecos y extrínsecos respecto delbetún.

Intrínsecos:

Comprenden la oxidación, la volatilización, la tixotropía y lasinéresis, propios del sistema coloidal del asfalto.

Extrínsecos:

Cita como fundamentales al espesor de la película de ligante, elporcentaje de vacíos de la mezcla, la acción físico-química de losáridos y las solicitaciones del tráfico.

Factores intrínsecos

Factores que inciden en el envejecimiento delasfalto que dependen de su naturaleza.

Oxidación y pérdida de fracciones volátiles del betún:La volatilización de los compuestos ligeros dependeespecialmente de la temperatura y las condiciones deexposición.

– Las elevadas temperaturas durante la elaboración en laplanta asfáltica.

– Climas cálidos y con alta radiación solar durante laetapa de servicio del pavimento.

Provocan una merma de los maltenos (aceites y resinas delbetún), y el consiguiente aumento de la proporción deasfaltenos; como consecuencia RigidizaciónEl “Índice Gaestel”, IC, refleja la relación entre envejecimiento yestructura interna coloidal del betún.

Tixotropía y sinéresis

La tixotropía o endurecimiento histérico es la formación deuna estructura interna en el sistema coloidal del betún enreposo; es un fenómeno observable en los pavimentos conbajo tránsito de vehículos.Puede reproducirse en laboratorio, observándose cómoaumenta paulatinamente la viscosidad del asfalto con eltiempo, siendo reversible si se recalienta la muestra.Este fenómeno ya era conocido para polímeros amorfos,pero durante el programa SHRP se descubre sus efectossobre asfaltos estacionados isotérmicamente enlaboratorio.

Sinéresis

La sinéresis es una reacción de exudación queocurre al formarse la estructura tixotrópica, por lacual una determinada cantidad de componentesmalténicos migra hacia la superficie del asfalto,acelerando el endurecimiento interno.

Degradación de la estructura polimérica en los betunes-polímero

Los ligantes modificados con polímeros sumó otro efecto que se superpone al endurecimiento del asfalto base: la degradación de la red polimérica, que puede manifestarse en un entrecruzamiento y/o una escisión de cadenas, pudiendo significar un endurecimiento adicional o bien una pérdida de consistencia, dependiendo de la magnitud relativa de estos fenómenos.

Factores Extrínsecos

Factores que inciden en el envejecimiento delasfalto que no dependen de su naturaleza sino de:

•Las cualidades de los otros materialescomponentes (áridos, fíller).

•De las propiedades de la mezcla (en especial,contenido de vacíos y espesor de película debetún) y de la acción del tráfico.

Áridos

Necesidad de identificar la roca madre y determinar suspropiedades petrográficas, habida cuenta de la influenciaejercida sobre la adhesión árido-ligante y la durabilidad dela mezcla.

En áridos básicos como los provenientes de piedra caliza,de fuerte adhesión con el betún, los efectos delenvejecimiento son menores que cuando se empleanáridos ácidos (los graníticos responden a este grupo).

Mezclas con aditivos mejoradores de adherencia permitenel empleo de áridos ácidos sin desmedro de la durabilidad.

Fíller

Los fílleres de naturaleza cálcica (cal, cemento, polvocalizo) confieren propiedades benéficas como:

– Espesan al ligante modificando su fluir viscoso,mejoran la adherencia con los áridos y proveen unmayor espesor a la película que los recubreretardando el envejecimiento al disminuir losprocesos de volatilización y oxidación.

– Producen tanto la captación de catalizadoresexistentes como de moléculas polares que, libres,interaccionan con los productos de la oxidación.

El aporte de fíller debe acotarse, pues un exceso de larelación fíller/asfalto ocasionará una elevadarigidización,

Contenido de vacíosEl contenido de vacíos influye notablemente en elenvejecimiento de los asfaltos en las mezclas.

La exposición a los efectos de la intemperie es muchomayor en las mezclas de granulometría abierta.

PermeabilidadLa permeabilidad está asociada al contenido devacíos, aún cuando los poros permeables estánconstituidos sólo por poros interconectados.

Las mezclas porosas son susceptibles alenvejecimiento, por eso es necesario un mayorespesor de película de betún.

TránsitoEl efecto del tránsito sobre la durabilidad se relacionacon la fisuración y el desprendimiento de áridos en lasuperficie, debido a fatiga y esfuerzos tangenciales,respectivamente, que derivan en una mayorexposición a la intemperie.La acción mecánica genera además exposición demezcla, pumping, pulimiento, etc

ClimaEfectos dañinos por parte de factores metereológicos yclimáticos.El agua actúa directamente con la capacidad deadherencia agregado-bitumen, llamado “stripping” ademásque se encarga de dañar las capas no ligadas en elpaquete.

Proceso de envejecimiento

• Consta de dos etapas:• A corto plazo, durante las operaciones

constructivas, que incluyen la elaboraciónen planta y el transporte, colocación ycompactación

• A largo plazo, durante la vida útil delpavimento.

Envejecimiento a corto plazo

• Cuando el asfalto se encuentra en los tanques dealmacenamiento a elevada temperatura se produce unleve endurecimiento.

• El hecho de encontrarse en grandes volúmenesminimiza la oxidación y la pérdida de compuestosaceitosos.

• Es posible que ocurra un envejecimiento de mayormagnitud si se recircula frecuentemente en el tanque.

• Si el ingreso a la cisterna de asfalto se realizadirectamente desde un tubo o manguera en lacompuerta superior cayendo este en flujo laminar,quedando expuesto a la acción del oxígeno.

Envejecimiento a corto plazo

• En el proceso de mezclado con los áridos enplanta es donde se da las principales causas delenvejecimiento a corto plazo.

• Coexisten altas temperaturas y aire; los áridos yel filler son recubiertos por una delgada láminade ligante, generándose condiciones favorablespara la oxidación y la evaporación de lasfracciones volátiles, que provocan elendurecimiento del asfalto y, en el caso de losbetunes-polímero la alteración del entramadopolimérico.

Envejecimiento a corto plazo

Envejecimiento a corto plazo

• En el silo de almacenamiento, la mezcla calienteentra en contacto con el aire y pueden sucederreacciones de oxidación.

• Durante el transporte el proceso de oxidación sepresenta, por eso es necesaria su protección.

• En los procesos constructivos la mezcla semantiene con elevadas temperaturas y por lotanto prosigue el envejecimiento a corto plazo.

Envejecimiento a largo plazo

• Se produce por reacciones más lentas que lasproducidas a corto plazo.

• Los mismos agentes que inciden sobre elenvejecimiento a corto plazo lo hacen también a largoplazo, pero hay que adicionar– Radiación solar.– Radiación ultravioleta: que afectan sólo una capa

muy fina en la superficie del pavimento produciendoenlaces carbonilo además, oxidación y volatilizaciónde componentes ligeros. En los betunes-polímero,según Callister, la resistencia del estireno butadienoestireno a este factor ambiental es aceptable, perolos polímeros vinílicos demostraron ser susceptiblesal deterioro.

Envejecimiento a largo plazo

• La foto-oxidación formar una “costra” de unos 5 µm deespesor en la superficie, que si bien retarda la absorciónde oxígeno, por otra parte es soluble en agua y puedeser fácilmente removida, quedando expuesto el betún nodegradado, lo que acelera el envejecimiento.

• Radiación infrarroja, que aumentan la temperatura delpavimento y por lo tanto afectan a toda la capabituminosa.

• Gradiente térmico.• Derrames de líquidos y solventes• Fenómenos metereológicos, etc

Envejecimiento del asfalto

Envejecimiento del asfalto

Envejecimiento del asfalto

Ensayo de ductilidad

Ensayo de punto de ablandamiento

Ensayo de la mancha 20% Heptano Xisol

Envejecimiento del asfalto RTFO

Envejecimiento del asfalto RTFO

Conclusiones

• Los mecanismos de envejecimiento son complejos, suimpacto sobre el comportamiento de los pavimentos esconocido.

• La rigidización de la mezcla tiende a incrementar laresistencia a las deformaciones permanentes y puedeser considerado como un beneficio; pero elendurecimiento puede influir en el desarrollo y/oaceleración de deterioros como la desintegración yfractura, producidos por fatiga o fisuración térmica, queconducen al fallo del pavimento.

• De la buena selección de los materiales hasta eladecuado proceso de preparación y colocación demezcla depende la durabilidad del asfalto

Conclusiones

• Desde la cota de rasante y hasta unos pocos milímetrosde profundidad, el envejecimiento es muy rápido y sematerializa en un endurecimiento acentuado a los pocosmeses de servicio, dependiendo del clima, losmateriales constituyentes, vacíos de la mezcla y elespesor de lámina de betún que envuelve a los áridos.

• La problemática actual del sistema vial no es a causa dela última temporada pluvial; es a causa de la falta deacción oportuna frente a los procesos normales deenvejecimiento y daño estructural que presentan lospavimentos.

Envejecimiento del asfalto

Gracias