Asfaltos Liquidos Y Emulsiones Asfalticas

PAVIMNET OS

FERNA NDO PINED A P. JULIAN AND RES OSOR IO E.

PAVIMENTOS CONTENIDO  ASFALTOS

LIQUIDOS

 EMULSIONES

ASFALTICAS

ASFALTOS LIQUIDOS 

Según la terminología del "Asphalt lnstitute", Asfalto líquido se define como: "Material asfáltico cuya consistencia blanda o fluida hace que se salga del campo en que se aplica el ensayo de penetración, cuyo límite máximo es 300".



También son conocidos y denominados como asfalto rebajados o cutbacks.

CUALES SON SU S COMP ONENT ES? Están compuestos por una base asfáltica (cemento asfáltico) y un fluidificante volátil que puede ser bencina, kerosene, aceite o agua con emulsificador. El fluidificante se agrega con el propósito de dar al asfalto la viscosidad necesaria para poderlo mezclar y trabajar con los áridos a baja temperatura. Una vez elaborada la mezcla, los fluidificantes se evaporan, dejando el cemento asfáltico que envuelve y cohesiona las partículas de agregado.

COMO SE CLASIFICAN? 

De acuerdo al grado de volatilización del fluidificante (mas o menos volátil) los asfaltos líquidos se pueden clasificar en tres tipos:



Curado Rápido (RC)



Curado Medio (MC)



Curado Lento (SC)

CU RA DO R API DO Estos asfaltos tienen como fluidificante bencina o nafta, se designan con las letras RC (rapid curing) seguidas con un número que indica el grado de viscosidad cinemática que tienen, medida en centistokes. 1ST = 1 0E-4 M 2\SEG Las características del solvente son:  

Alta volatilidad Punto de ebullición bajo

CU RA DO RA PIDO Existen los siguientes asfaltos:

GRA DO

RES ID UO AS FAL TICO EN VOLUM EN

RC-70

55.00%

RC-250

65.00%

RC-800

75.00%

RC-3000

80.00%

CU RA DO ME DIO Asfaltos cuyo fluidificante es kerosene, se designan con las letras MC (medium curing) seguidas con el número correspondiente a la viscosidad cinemática que tienen. Los asfaltos MC son los siguientes: GR AD O

RESIDU O ASFAL TIC O EN VOL UM EN

MC-30

50.00%

MC-70

55.00%

MC-250

67.00%

MC-800

75.00%

MC-3000

80.00%

CU RA DO LE NTO Asfaltos cuyo fluidificante es aceite, relativamente poco volátil, se designan con las letras SC (slow curing) seguidas con el número correspondiente a la viscosidad cinemática que tienen. Los SC mas usados fueron SC-70 y SC-250.

CARACT ERIZ ACION FIS ICA D E LOS ASF ALT OS LIQUID OS La mayoría de ensayos para la caracterización de los cementos asfálticos son utilizados en la caracterización de asfaltos líquidos

VIS COCIDA D C IN EM AT ICA Se utiliza para la clasificación de asfaltos líquidos. El procedimiento de ensayo es similar al utilizado en la determinación de la consistencia de los cementos asfálticos, con la diferencia que para asfaltos líquidos se determina a 60º centígrados. En la preparación de la muestra es importante controlar la pérdida de volátiles.

VIS COCIDA D C IN EM AT ICA

VIS COCIDA D C IN EM AT ICA

Vis cosímetr o Ci nemá ti co

Vis cos íme tr o Saybolt Fu rol

ENSA YO PA RA DET ERM INA R EL PUNT O DE INFLAMAC ION Su objetivo es manejar con seguridad el producto durante el proceso de calentamiento. Para los MC se utiliza la copa abierta Cleveland y para los RC y SC la copa abierta de Tag. A diferencia del ensayo para cementos asfálticos la copa debe ser de vidrio y no de metal (Bronce), además se calienta en un baño de agua y no con llama directa.

ENSAY O PA RA DET ERM INA R EL PUNT O DE INFLAMAC ION Termómetro Copa llena de asfalto

Eq uip o de En sayo in fla maci ón Copa Clev el and

de pu nto de abi er ta de

ENS AYO P ARA DETER MINAR EL CONT ENIDO DE A GUA Su objetivo es determinar la cantidad de agua presente en los asfaltos líquidos, ya que contenidos altos de agua pueden producir espuma durante el calentamiento generando un alto riesgo para el operador. Se coloca un determinado volumen de ligante en una retorta de vidrio o metal y se le adiciona nafta o xilol, a la retorta se le adiciona un condensador que evacua en un colector graduado. Al calentar y en presencia de agua, esta se une con el solvente en el colector; permitiendo así leer su contenido.

ENS AYO P ARA DETER MINAR EL CONT ENIDO DE A GUA

Det er min aci ón del contenido de agua

ENSAYO DE DESTILACION Su objetivo es determinar la proporción y características de los disolventes que contiene un asfalto líquido. Se utiliza para determinar las cantidades de disolventes destilados a distintas temperaturas, estudiando así sus características de evaporación y velocidades de curado. Terminada la destilación se obtiene un residuo asfáltico el cual no es igual al que queda después del curado; aunque tiene características similares. Este residuo es llamado cemento asfáltico residual.

EN SA YO DE DESTILA CION Se coloca 200 ml de asfalto líquido en un matraz de destilación el cual está conectado a un condensador. Se calienta gradualmente y se recoge el disolvente en probetas graduadas a las temperaturas de 160, 175, 190, 225, 260, 316 y 360º C. Cuando se alcanzan los 360º C se mide la cantidad de residuo y se expresa en porcentaje volumétrico de la muestra original.

EN SA YO DE DESTILA CION

Ensayo de des til ació n

CUR AD O E N UN ASF ALT O LIQUIDO Proceso de evaporación de los disolventes que contiene, este se inicia inmediatamente el asfalto líquido se expone a los agentes atmosféricos y se da por terminado cuando se ha evaporado el máximo disolvente; ya que una pequeña proporción de este queda incorporado en el asfalto permanentemente. A este proceso se debe que el producto final de un asfalto líquido es un cemento asfáltico, de mayor penetración.

VAR IABLES QU E AFECT AN LA VELOCID AD DEL C URAD O En el proceso de volatilización de los solventes intervienen varios factores y estos inciden de manera diferente en la velocidad y tiempo de curado, según las características del proyecto. Las variables directas son:  Temperatura ambiente  Velocidad del viento  Superficie del ligante expuesta  Esfuerzos mecánicos  Características mineralógicas del agregado pétreo  Sistema utilizado en la elaboración de la mezcla asfáltica

APLIC AC IO N DE LOS ASFALTOS LIQUIDOS  Curado Rápido (RC)

Riegos de liga, tratamientos superficiales.

 Curado Medio (MC) Bacheo  Curado Lento (SC) Riego de liga

EMULSIONES Una emulsión es una dispersión fina más o menos estabilizada de un líquido en otro, los cuales son no miscibles entre sí y están unidos por un emulsificante, emulsionante o emulgente. Las emulsiones son sistemas formados por dos fases parcial o totalmente inmiscibles, en donde una forma la llamada fase continua (o dispersante) y la otra la fase discreta (o dispersa).

DIAG RAMA ESQU EMAT ICO DE UN A EM ULSION

EM ULSIO NES Generalmente el tamaño de la fase discreta tiene alguna dimensión lineal entre 1 nanómetro y 1 micra. Son estos tamaños tan pequeños los que le dan a las emulsiones sus importantes e interesantes propiedades. Existen varios tipos de dispersiones de partículas de diferentes tamaños en diferentes tipos de medios; entre estas dispersiones se encuentran las emulsiones, las cuales son dispersiones de un líquido en otro.

DIF ER EN TES TIPOS DE SUSPE NSI ON ES

EMULSIONES

Lo importante de las emulsiones no es la composición química de la muestra (ya sea orgánica o inorgánica), ni su origen (mineral o biológico), ni su estado físico (una fase o más); es su tamaño la característica importante.

EMULSIONES ASFALTICAS

EM UL SIONE S ASF ALTICA S En el caso de emulsiones asfálticas, los líquidos no

miscibles

son

el

agua

y

el

asfalto.

Adicionalmente se tiene el emulgente el cual se deposita en la interfase entre el agua y el asfalto y estabiliza la emulsión; éste depende del tipo de emulsión que se requiera.

EMULSIONES ASFALTICAS 

Las emulsiones del tipo asfáltico aparecieron en el mercado a principios del siglo XX en diferentes lugares y con usos muy diversos.



En 1905 se empleó por primera vez una emulsión asfáltica en la construcción de carreteras en la ciudad de Nueva York; la emulsión utilizada es del tipo aniónica y se empleó como una alternativa para evitar el polvo cuando transitaban los vehículos.

EMULSIONES ASFALTICAS 

En 1914 el estado de Indiana comenzó a realizar trabajos de reparación de caminos empleando estas emulsiones aniónicas.



En México de 1930 a 1935 se utilizaron para la construcción de caminos.



Las emulsiones asfálticas catiónicas aparecieron en Europa en 1953 y en Estados Unidos hasta 1958.

EMULSIONES ASFALTICAS 

Las emulsiones cationicas se usaron únicamente en la construcción de tratamientos superficiales, como riego de liga y de sello.



Los países con mayor producción de emulsiones asfálticas son: Estados Unidos, Francia, España y Japón. Entre estos cuatro países se fabrica un 40% aproximadamente de la producción mundial de emulsión asfáltica, que se estima actualmente próxima a los dieciséis millones de toneladas, de la que más del 85% es del tipo catiónico.

EMULSIONES ASFALTICAS Las

emulsiones

significativamente

asfálticas el

simplifican

procedimiento

de

asfaltado de carreteras, ya que se aplican en frío, lo cual presenta un ahorro considerable, en la energía requerida para fundir el asfalto, sino en la maquinaria que se requiere para hacer el fundido in situ.

EMULSIONES ASFALTICAS En el caso del asfalto caliente, éste no se puede aplicar en condiciones climáticas adversas como lluvia, alta humedad, etc., pero las emulsiones asfálticas no tienen ese problema, ya que el medio en el cual viene el asfalto es precisamente agua.

EMULSIONES ASFALTICAS Mediante el uso de emulsificantes apropiados, se puede controlar ampliamente el tiempo de ruptura de las emulsiones, ya que es posible tener emulsiones

de

rompimiento

rápido,

lento

e

intermedio. Esto permite tener un amplio control en el uso de las emulsiones para IS diferentes tipos de aplicación.

EMULSIONES ASFALTICAS Las emulsiones permiten la aplicación de los asfaltos (modificados o no) sobre el substrato pétreo a bajas temperaturas, con un control amplio en el tiempo de rompimiento de la emulsión.

EMULSIFICANTES Son compuestos orgánicos; tienen una parte hidrofóbica (generalmente es una cadena hidrocarbonada ya sea lineal o cíclica) que es soluble en el medio orgánico (en nuestro caso en

el

asfalto)

y

una

parte

hidrofílica

(generalmente es un grupo polar de tipo orgánico o inorgánico), soluble en el medio acuoso.

EMU LSI ON ES AN IONIC AS En este tipo de emulsiones el agente emulsificante le confiere una polaridad negativa a los glóbulos, o sea que éstos adquieren una carga negativa.

EMU LSI ON ES CATIO NIC AS En este tipo de emulsiones el agente emulsificante le confiere una polaridad positiva a los glóbulos, o sea que éstos adquieren una carga positiva. Este tipo de emulsiones produce una buena adhesión química entre el sistema asfáltico y el sustrato pétreo. Esto es importante para el buen desempeño del asfalto.

EMULSIONES ASFALTICAS

EMULSIFICANTES Los emulsificantes son los que, producida la emulsión, se sitúan en su mayor parte en la “interfase”. Su parte hidrofóbica se dirige hacia el asfalto y su parte polar hacia el agua. Los emulsificantes estabilizan el sistema.

ROM PI MIENTO DE LA S EM ULSIONE S ASF ÁLTICA S El rompimiento en la emulsión de asfalto es la unión de la fase dispersa (asfalto) y separación de la fase dispersante (solución jabonosa), el agua se evapora y los aditivos y

químicos

se

incorporan

al

cemento

asfáltico mejorando sus cualidades físicas y químicas.

ROMPIMIEN TO D E LA S EM ULS ION ES ASFÁ LTIC AS Este fenómeno de rompimiento o ruptura de la emulsión ocurre debido a la carga eléctrica que tiene el material pétreo. La carga que tiene el material pétreo neutraliza la carga de las partículas de asfalto en la emulsión, permitiendo que se acerquen unas a otras para formar agregados de gran tamaño; estos agregados son los que se depositan sobre el material pétreo formando una capa asfáltica. Durante este proceso el agua es eliminada del sistema asfalto-pétreo.

En el proceso de desestabilización, la emulsión como va perdiendo agua, pasa por una emulsión inversa en donde el asfalto forma la fase continua y el agua la fase discreta, o sea que se forman pequeñas gotas de agua en el interior del asfalto, las cuales posteriormente, cuando se deposita la capa de asfalto, son eliminadas.

En general, los factores que influyen en la ruptura de la emul si ón a nióni ca son: la

evaporación de la fase acuosa.

la

difusión del agua de la emulsión

la

absorción superficial de una parte del

emulsificante en el

material pétreo.

La ruptura de la emulsión ca tióni ca se produce por: la absorción de la parte polar del emulgente por los agregados (hace que las partículas del asfalto se adhieran inmediatamente a las partículas del material pétreo, aun en presencia de humedad).

La forma de rompimiento de las emulsiones asfálticas catiónicas mejora la adherencia y permite una mejor distribución de la mezcla dentro de la masa del agregado pétreo; adicionalmente

permite

proseguir

los

trabajos de asfaltado en regiones con climas húmedos o durante una temporada de lluvias, garantizando la apertura de caminos al tránsito en un corto período de tiempo.

Las emul si one s ca ti ónica s cubren el 95% del mercado y son las más utilizadas. Las emul si one s a ni ónica s cubren el 5% del mercado y generalmente se la utiliza con materiales calcáreos y dolomita. Las emul si one s no ión icas no se las utiliza todavía. Algunos investigadores estudian la posibilidad de que esta emulsión pueda suplir a las dos nombradas anteriormente.

Las emulsiones son clasificadas por la velocidad en que las gotas de asfalto se juntan, restaurando la cantidad de cemento asfáltico utilizado. Se emplean los siguientes términos que han sido adaptados para simplificar y estandarizar esta clasificación:

• RS = (Rapid – setting) rotura rápida • MS = (medium – setting) rotura media • SS = (slow – setting) rotura lenta

Estos términos se pueden encontrar acompañados de letras y números tales como:  La C que significa que la emulsión es Catiónica, y la letra A significa que la emulsión es Aniónica. Las letras minúsculas de h = (hard ) dura y S = (soft) blanda, significa que la presencia del cemento asfáltico es duro o blando.

 Y se le agrega al nombre de la emulsión la

letra P, cuando se necesita mejorar la calidad del cemento asfáltico mediante la incorporación de una cantidad mínima de polímeros al 3% en sólido, aumentando la susceptibilidad térmica del asfalto. Los números en la clasificación indican la viscosidad relativa de la emulsión Ejm: CRS-1, el 1 indica la viscosidad y CRS-2, el 2 indica que es más viscoso que el anterior.

“La viscosidad de una emulsión de rotura lenta es baja, y se le considera de esta forma, porque tiene que envolver a los finos”

Em ul sio ne s de R ompimi ento Rá pido: Estas se utilizan para riegos de liga y carpetas por el sistema de riegos Las emulsiones CRS se utilizan para los tratamientos superficiales simples, las especificaciones técnicas de ASTM/AASTHO indican que existen dos tipos de viscosidades, una viscosidad de 20-100 que es representada con un subíndice 1 (CRS1) y la otra 100-400 SF que se representa con un subíndice 2,(CRS2).

Emul si one s d e Rompi mi ent o Med io: Estas normalmente se emplean para carpetas de mezcla en frío elaboradas en planta, especialmente cuando el contenido de finos es menor o igual al 2%, así como en trabajos de conservación tales como bacheos, renivelaciones y sobre carpetas. Emulsiones de Rompimiento Lento: Estas se emplean para carpetas de mezcla en frío elaboradas en planta y para estabilizaciones asfálticas.

Se utiliza la emulsión que pueda ser controlado su esparcimiento en la vía sin ocasionar derrames innecesarios y cuyo esparcimiento sea uniforme, eso se lo consigue solamente con una viscosidad equilibrada.

VARIAB LES QU E AFE CTA N LA CA LI DAD DE LAS EMU LS ION ES ASF ÁLTICAS Existen muchos factores que afectan la producción de Emulsiones Asfálticas, almacenaje, uso y ejecución de una emulsión asfáltica. Entre las variables que tienen un significativo efecto son: • Propiedades químicas del cemento asfáltico base. • Dureza y cantidad del cemento asfáltico base. • Tamaño de la partícula de asfalto en la emulsión. • Tipo y concentración del agente emulsificante.

• Condiciones de manufacturación como temperatura, presión, y corte de las partículas de asfalto. • La carga iónica de las partículas en la emulsión. • Metodología y equipo empleado en la elaboración de la emulsión. • La propiedad del agente emulsificante. • La adición de modificadores químicos o polímeros. • La dureza y el pH del agua. • El pH de la emulsión.

USOS DE LAS EMU LSIONES CA TIÓNI CAS El asfalto es un importante material termoplástico que es ampliamente usado en la construcción y sus usos se hacen extensivos a las emulsiones asfálticas catiónicas, entre los que destacan: 1. Usos generales. 2. Juntas para pavimentos hidráulicos. 3. Adhesivos. 4. Selladores. 5. Impermeabilizantes. 6. Recubrimiento de tubería especial.

7. Para tratamientos superficiales, para pavimentos asfálticos, en carreteras y aeropistas: - Riegos de impregnación. - Riegos de imprimación o penetración. - Riegos negros con emulsión diluida. - Riegos de liga. de sello con arena o gravilla seleccionada. 8. Bacheo. 9. En la masa o mezcla asfáltica, para carreteras y aeropistas. 10. Mezcla cerrada y mezcla abierta. 11. Grava - emulsión y arena – emulsión. 12. Penetración. 13. Impregnación.

Rec om enda cio ne s pa ra el us o de Emu ls io nes As fál ticas



Si el depósito se usó para almacenar emulsiones aniónicas y se van a almacenar emulsiones catiónicas, es necesario neutralizar la acción de aquella lavando el tanque, primero con agua y posteriormente con ácido clorhídrico diluido al uno por ciento.



Por el contrario, si el depósito se usó para almacenar emulsiones catiónicas y se quiere almacenar emulsiones aniónicas, se tendrá que lavar con agua y neutralizarlo con sosa cáustica al 0.3 por ciento.



Para descargar más emulsión sobre la ya almacenada, es necesario que el tubo de descarga llegue al fondo para no romper la nata de la superficie, de otra forma, se corre el riesgo de obstruir las bombas.



Cuando una fábrica o compañía está establecida permanentemente en una región donde se registran temperaturas muy bajas, los tanques deben tener un sistema de calentamiento adecuado o estar cubiertos con algún sistema aislante, para evitar la congelación.



Cuando los tanques de almacenamiento sean los que usa una compañía constructora, los depósitos se protegerán con mechones alrededor, lo que será suficiente para que no baje la temperatura. Si los tanques están enterrados, no hay necesidad de tomar otra medida para evitar la congelación



Antes de recibir una emulsión en obra, se recomienda comprobar su calidad y el tipo de emulsión de que se trate, haciendo las pruebas de identificación que se recomiendan en cada caso.

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Cuando los tanques de almacenamiento sean los que usa una compañía constructora, los depósitos se protegerán con mechones alrededor, lo que será suficiente para que no baje la temperatura. Si los tanques están enterrados, no hay necesidad de tomar otra medida para evitar la congelación

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Antes de recibir una emulsión en obra, se recomienda comprobar su calidad y el tipo de emulsión de que se trate, haciendo las pruebas de identificación que se recomiendan en cada caso.



La temperatura ambiente al aplicarse la emulsión, deberá ser de 10 ºC mínimos y en ascenso y nunca debe de hacerse cuando baje la temperatura durante la noche.



La emulsión, una vez que es desestabilizada (o sea que ya se produjo el rompimiento), no debe de re-emulsificarse aún en presencia de agua y del paso de los vehículos; por este motivo es muy importante que el emulsificante sea el adecuado.

VEN TA JAS DE LAS EMU LSI ON ES

Las ventajas de las emulsiones asfálticas pueden sintetizarse por su gran versatilidad y comportamiento: reducen el consumo de energía respecto a los diluidos (1200 vs 16800 KJ/l)



Es un ligante asfáltico no contaminante ni peligroso, ya que contiene del 35 al 40% de agua como solvente.



Su manejo es sencillo y seguro, gracias a su baja viscosidad a temperatura ambiente.



Tiene un límite de almacenamiento y es muy amplio, ya que puede ser almacenado por semanas o meses, debido entre otras cosas a la igualdad de las densidades de sus componentes.

Los problemas que hicieron declinar la aplicación de las emulsiones convencionales han sido: malas experiencias de obra por empleo de materiales deficientes tanto de áridos como de emulsiones, mala ejecución de los trabajos (maquinaria inadecuada y personal no capacitado), deficientes condiciones de almacenaje, aumento de solicitaciones de la calzada, aparición de técnicas innovadoras, etc.



Tiene una gran adhesión con cualquier agregado pétreo, a pesar de condiciones de humedad adversas debido a la enorme dispersión de las partículas de asfalto de tamaño muy pequeño y al uso de agentes emulsificantes de tipo catiónico.



Se aplica en un lapso muy corto de tiempo, lo que permite la pronta funcionalidad de la obra en que se esté usando.



Presenta un bajo costo de la fase dispersante, que es el agua.



Se emplean materiales pétreos locales, lo que elimina la transportación de este tipo de materiales por grandes distancias.



El equipo de aplicación es mucho más sencillo debido a que todos sus componentes se aplican a temperatura ambiente.



Por su aplicación en frío, ayuda a no alterar el medio ambiente y queda suprimida la emisión de humos o gases.



El empleo del agua como solvente no crea problema de su desperdicio, ya que es recuperable.

 Especificaciones

exigidas por el instituto nacional de vías a las emulsiones asfálticas colombianas