Monografia Asfaltos

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE POLÍMEROS EN LOS ASFALTOS MONOGRAFíA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO CIVIL PRESENTA VÁZQUEZ RUIZ IDALIT COATZACOALCOS, VER. JUNIO 2010 1 DEDICATORIA LA FAMILIA VAZQUEZ RUIZ, MIS MADRES, HERMANOS Y AMIGOS, MAESTROS, A TI NATHAN QUE ME HAS APOYADO INCONDICIONALMENTE Y SOBRE TODO A TI QUE NUNCA ME ABANDONASTE AUNQUE NO ESTUVISTE PRESENTE SIEMPRE ESTUVISTE A MI LADO. L ADO. LA POSIBILIDAD DE REALIZAR UN SUEÑO… ES LO QUE HACE QUE LA VIDA SEA INTERESANTE. 2 DEDICATORIA LA FAMILIA VAZQUEZ RUIZ, MIS MADRES, HERMANOS Y AMIGOS, MAESTROS, A TI NATHAN QUE ME HAS APOYADO INCONDICIONALMENTE Y SOBRE TODO A TI QUE NUNCA ME ABANDONASTE AUNQUE NO ESTUVISTE PRESENTE SIEMPRE ESTUVISTE A MI LADO. L ADO. LA POSIBILIDAD DE REALIZAR UN SUEÑO… ES LO QUE HACE QUE LA VIDA SEA INTERESANTE. 2 INDICE INTRODUCCIÓN 5 JUSTIFICACIÓN 6 OBJETIVO GENERAL 7 OBJETIVO ESPECÍFICO 8 CAPÍTULO I ASFALTOS MODIFICADOS. 9 1.1 Generalidades de los asfaltos. 1.2 Polímeros. 1.3 Mezclas asfálticas. 1.4 Asfaltos modificados 1.5 Maquinaria necesaria. 1.6 Betún modificado. 1.7 Riesgos de seguridad 10 21 26 29 30 33 34 CAPÍTULO II ASFALTOS MODIFICADOS MÁS UTILIZADOS. 37 2.1 Asfaltos modificados con polímeros tipo elastómeros. 38 2.2 Làtex, hule natural, SBS, SBR. 39 2.3 Hule de llanta. 40 2.4 Asfaltos modificados con polímeros tipo plastomeros 41 2.5 Polietileno. 42 2.6 Policloruro de vinilo. 43 3 2.7 Etilo-vinil-acetato 44 2.8 Estadística de consumo. 45 CAPÍTULO III VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE POLÍMEROS EN LOS ASFALTOS. 47 3.1 Ventajas del uso de polímeros. 53 3.2 Desventajas del uso de polímeros. 57 RECOMENDACIONES 59 CONCLUSIONES 60 GLOSARIO 61 BIBLIOGRAFÍA 68 ANEXO NORMAS Y REGLAMENTOS 69 71 4 INTRODUCCIÓN El presente trabajo, fue realizado con el fin de evaluar las características de los asfaltos modificados y su uso para pavimentación de carreteras. Se evalúan las ventajas y desventajas, costo/beneficio, que representa el uso de un asfalto modificado; las propiedades físico-mecánicas de éste y cómo contribuyen a la reducción de la susceptibilidad térmica del asfalto, haciéndolo más rígido a temperaturas elevadas y más flexible a bajas temperaturas. Es necesario adecuarse a las demandas actuales de tráfico, pero también se deben prever las futuras, esto se logra mediante una mejor selección de materiales, es decir, es necesario caracterizarlo para poder evaluar sus propiedades físicas y mecánicas. En el mercado actual este producto se está dando a conocer por lo tanto no existen fuentes escritas de información sobre el tema; la mayoría de la información de este trabajo fue recopilada de páginas webs que contenían dicha información. 5 JUSTIFICACIÓN Las carreteras ocupan un lugar muy importante dentro de la infraestructura debido a que contribuyen al desarrollo del país, por ello es necesario darles el mantenimiento adecuado para alargar su vida útil. Existen diferentes tratamientos, entre los que se encuentra: el uso de mezclas asfálticas en caliente, en frío. Actualmente se quiere introducir el uso de mezcla con asfaltos modificados. El uso de cemento asfáltico modificado es una técnica usada en varios países con el fin de aprovechar los asfaltos en la pavimentación de vías. Éste consiste en la adición de polímeros a los asfaltos convencionales con el fin de mejorar sus características mecánicas; es decir, su resistencia a las deformaciones por factores climatológicos y del tránsito (peso vehicular); además, incrementan la adherencia en la interfase entre el material pétreo y el material asfáltico, conservándola aún en presencia del agua. Estas mezclas aumentan la resistencia a la deformación, a los esfuerzos de tensión repetida y, por lo tanto a la fatiga, reducen el agrietamiento, así como la susceptibilidad de las capas asfálticas a las variaciones de temperatura. El presente trabajo de investigación se realizó con el fin de evaluar las características físico-mecánicas de los asfaltos modificados con polímeros. Se realizo tomando en cuenta las Especificaciones Generales para Construcción de Carreteras y Puentes XXII año 2001 de la Dirección General de Caminos, específicamente la sección 411 (Asfaltos modificados). 6 OBJETIVO GENERAL: ANALIZAR EL COMPORTAMIENTO DE LA CARPETA ASFÁLTICA CON EL USO DE POLÍMEROS PARA EVALUAR SU RENDIMIENTO EN COMPARACIÓN CON UNA CARPETA ASFÁLTICA CONVENCIONAL. 7 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Evaluar las características físico-mecánicas de asfaltos modificados con polímeros, de acuerdo a las especificaciones aplicables. Presentar información sobre asfaltos modificados con polímeros. Utilizar las normas correspondientes para la construcción de pavimentos modificados Identificar ventajas y desventajas que tiene el asfalto modificado con polímeros respecto al asfalto convencional. 8 CAPÍTULO 1 ASFALTOS MODIFICADOS 9 1.1 Generalidades de los asfaltos. En este capítulo se definirá que es un asfalto modificado; como surgen y cuáles son sus características. El Asfalto es un producto natural o compuesto que proviene de la destilación seca de productos orgánicos vegetales. Es una mezcla de Betún con productos materiales inertes tales como Sílice, Arena, Arcilla, etc. El Asfalto se utiliza principalmente en la pavimentación de viales. Como se explica en el manual del Instituto del Asfalto, el asfalto es uno de los componentes ingenieriles más arcaico utilizado desde los inicios del hombre para la construcción. Fue en Egipto, aproximadamente en el año 2500 a.c. que el asfalto fue descubierto; es una palabra cuyo vocablo que deriva del acadio “Sphalto” que significa “que deja caer”, este término se utilizaba en Asiria entre los años 1400 y 600 a.c., tiempo después esta palabra fue adoptada por los griegos, quienes le otorgaron el significado de “que rigidiza o estabiliza, y finalmente evolucionó al latín y después al francés (Asphalte) y al español (Asfalto), hasta llegar al inglés (Asphalt). En el antiguo mundo el asfalto era utilizado como mortero para la pega de bloques en la construcción, en la realización de pavimentos interiores y como impermeabilizante en la industria naval y numerosas aplicaciones más. Como ejemplos históricos de ello se encuentran: la industria naval que producía y utilizaba el asfalto en Sumeria cerca de los 6000 a.c., el uso del asfalto como mortero en la construcción de las Torres de Babel y la utilización como material impermeable que le daban los egipcios al igual que como material de relleno del cuerpo humano en el proceso de momificación. En aquel entonces era común encontrar asfalto natural depositado en estanques y lagos de asfalto, así como en piedras porosas como la caliza y la 10 arenisca (piedras conocidas también como “piedras asfálticas”). Esto se explica debido a las fuerzas geológicas que provocaron el ascenso del asfalto a la superficie y al hacer contacto este con los elementos de la atmósfera provocaban su endurecimiento, ejemplo de esto son los depósitos del lago de asfalto de Trinidad, el cual se encuentra en la isla del mismo nombre en la Costa Septentrional de Venezuela. Sin embargo, en la actualidad el asfalto que se utiliza es artificial y se deriva del petróleo. El asfalto refinado comenzó a utilizarse hace casi doscientos años como sustituto del asfalto natural debido a que este último sólo se encontraba en lugares apartados y su reología no era tan buena, ya que su contenido malténico al calentarse se evaporaba con rapidez y se endurecía con mucha facilidad. Al mismo tiempo, la industria automotriz empezó a expandirse por lo que una nueva industria llegó para mejorar las condiciones de las carreteras proporcionándoles texturas más suaves y diseños más modernos, por lo que el asfalto comenzó a verse como un producto industrial barato e inagotable; fue así como se inició el uso del asfalto en la construcción de las carreteras. A principios del siglo XIX, sus aplicaciones se enfocaron en el ámbito de las vías terrestres, por lo que fue en 1802 cuando se utilizaron por primera vez en Francia rocas asfálticas como material para la construcción de banquetas, y en Filadelfia se utilizaron en 1838, pero la evolución del asfalto y su aplicación en las vías terrestres se dio en 1870 en Newark, New Jersey, cuando se construyó el primer pavimento de asfalto en el mundo. Conforme la industria de las mezclas asfálticas iba en ascenso, comenzaron a surgir nuevas investigaciones para conocer el comportamiento de los asfaltos por medio numerosas pruebas que fueron desarrollándose. En 1925, Prevost Hubbard desarrolló uno de los primeros métodos de evaluación para determinar el Gmb (Propiedad física de una mezcla asfáltica compactada) con el fin de simular el comportamiento de ésta en campo. 11 Cinco años más tarde, Francis Hveem desarrolló un método de evaluación para evitar el sangrado por exceso de asfalto en una mezcla asfáltica compactada y también obtener una mezcla más estable. Al mismo tiempo, Bruce Marshall desarrolló uno de los métodos más importantes de la historia, el cual determina la cantidad óptima de asfalto y de densidad que debe tener una mezcla asfáltica compactada para resistir las cargas transmitidas por los vehículos hacia la estructura. Como se muestra en la Figura 1, la estructura típica de un pavimento asfáltico (firme) en México, desde la superficie de la subrasante (explanada) y la superficie de rodadura, consiste en una sub-base, una base, un riego asfáltico de impregnación, la carpeta asfáltica que tiene capacidad estructural para resistir las cargas del tránsito y una capa asfáltica de rodadura, cuya finalidad principal es mejorar la seguridad y comodidad en la circulación de los vehículos. Figura 1 Sección estructural típica de un pavimento asfáltico. El costo de los materiales, incluyendo desperdicios, puestos en el lugar de su uso, para subrasante, la sub-base, la base, los riegos de impregnación y de liga y la carpeta asfáltica. 12 La fabricación del concreto asfáltico en planta, acarreos, cargas y descargas, tendido, compactado y todas las operaciones necesarias para su completa terminación. El costo de la mano de obra necesaria para llevar a cabo, hasta su total terminación dicho concepto de trabajo incluye, la construcción de la subrasante, de la sub-base, de la base y de la carpeta; los cortes, nivelación, compactación, aplicación de riego de impregnación y de liga y ampliación del sello de cemento. Las pruebas de laboratorio necesarias para verificar la composición y el grado de compactación de las subrasantes, sub base, base y carpeta, así como las propiedades de la emulsión asfáltica, penetración, punto de ignición y ductilidad. La restitución parcial o total, por cuenta del contratista, de las subrasantes, sub base, bases y carpetas que no hayan sido correctamente ejecutadas, conforme a proyecto y especificaciones. La renta y demás cargos derivados del uso de maquinaria, equipo, herramienta y señalamientos necesarios para la correcta ejecución de los trabajos. Los acarreos de materiales hasta el lugar de su uso. Limpieza de la zona de trabajo. Acarreo de los materiales sobrantes y desperdicios hasta el lugar de carga del camión. Todos los cargos indicados en el contrato de obras y que no se mencionen en estas especificaciones. La idea básica para la construcción de una ruta o un área de estacionamiento en todas las condiciones utilizadas por vehículos es preparar una adecuada sub-base ó fundación, proveer un necesario drenaje, y construir un pavimento que: Tendrá un espesor total suficiente y resistencia interna para soportar cargas de tráfico esperadas. Tendrá una adecuada compactación para prevenir la penetración ó la acumulación interna de humedad. Tendrá una superficie final suave, resistencia al deslizamiento, resistente al rozamiento, distorsión y resistente al deterioro por la acción de químicos anticongelantes. 13 La estructura de pavimento modificado está compuesta por dos capas de material. Cada capa recibe las cargas por encima de la capa, se extiende en ella, entonces pasa a estas cargas a la siguiente capa inferior. Por lo tanto, la capa más abajo en la estructura del pavimento, recibe menos carga. Con el fin aprovechar al máximo esta propiedad, las capas son generalmente dispuestas en orden descendente de capacidad de carga, por lo tanto la capa superior será la que posee la mayor capacidad de carga de material (y la más cara) y la de más baja capacidad de carga de material (y más barata) ira en la parte inferior. El espesor de la carpeta asfáltica, ya compactada, será de 3 a 5 cm de acuerdo a lo indicado en proyecto. En las bases y sub-bases se construirá la subbase con tepetate o material limo-arenoso o arcilla-arenosa y directamente sobre la subrasante previamente compactada. El espesor de la sub-base para tránsito pesado será de 40 cm, en tanto que para tránsito ligero será de 30 cm. El espesor total de la base para tránsito pesado será de 20 cm, en tanto que para tránsito ligero será de 15 cm o de acuerdo a lo indicado en proyecto, como se muestra en la figura 30 mm espesor 20 cm espesor 10 cm espesor Mayor carga de material Menor carga de material 14 Cemento Asfáltico La ASTM define al asfalto o cemento asfáltico como “un cementante de color marrón oscuro a negro en el que sus componentes predominantes son los asfáltenos que pueden ser naturales u obtenidos como residuo en la refinación del petróleo crudo”. El asfalto posee características tanto químicas como físicas, que son los elementos que le proveen todas sus particularidades y hacen de éste el producto esencial que es hoy en la industria de la construcción. Este cementante contiene tres importantes propiedades químicas: consistencia, pureza y seguridad, donde la primera se debe a su habilidad para fluir a diferentes temperaturas, esto en razón a que el asfalto es un material termoplástico, es decir, se fluidifica a altas temperaturas. La segunda define la composición química del asfalto, donde las impurezas de éste, son prácticamente inertes. La tercera precisa el comportamiento de afinidad química con las diferentes cargas eléctricas. De la misma manera, dentro de su composición química contiene características de aglutinación, esto debido a su constitución principalmente de asfáltenos y máltenos, que son los elementos que le proporcionan dichas particularidades; este último define la capacidad del asfalto para ser manejado a altas temperaturas con seguridad. Así mismo, el asfalto posee las siguientes propiedades de reología físicomecánicas, mismas que son determinantes para calificar la capacidad de un asfalto: Viscosidad:  Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan mayor resistencia a fluir en comparación de un fluido con baja viscosidad que fluye con facilidad. Es importante mencionar que la viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura; a mayor temperatura, menor viscosidad. 15 Elasticidad:  Propiedad que tienen los materiales para recuperar su forma al finalizar o disminuir la carga que los modifica. Resistencia al corte:  Es la capacidad de resistencia a altas temperaturas, la cual se determina con un “reómetro de corte dinámico”, que es el aparato que imprime una fuerza cortante cosenoidal con la que se miden dichas resistencias. Ductilidad:  Es la capacidad de disipación de energía que tiene un material dentro de su rango plástico. La rotura del material es dependiente de la deformación del mismo. En el caso del asfalto, la ductilidad le permite normalmente tener mejores propiedades aglomerantes, y los asfaltos con una ductilidad muy elevada son usualmente susceptibles a los cambios de temperatura. Pérdida de masa:  Es la pérdida de solventes o ligeros. Los asfaltos son ligantes que se encuentran de diversas maneras en la naturaleza o se pueden producir por el hombre a partir del proceso de destilación del petróleo en una planta de refinación. En la naturaleza se pueden encontrar en estado puro o con una matriz de agregados pétreos gruesos o finos. Otra posibilidad de obtener asfalto es a partir de la refinación del petróleo. Figura 2 Composición de un asfalto. 16 Los asfaltos están compuestos fundamentalmente por asfáltenos que proporcionan las características estructurales y dureza del asfalto, por resinas que asumen las propiedades cementantes o aglutinantes, y por aceites que aportan la consistencia para mejor trabajabilidad (Figura 2). Figura 3 Pavimentación de carreteras. Los asfaltos tienen propiedades ligantes y aglutinantes, compuestos en gran parte por hidrocarburos de consistencia semisólida a temperatura ambiente, pero pueden ser más fluidos en la medida en que se les incrementa la temperatura (Arenas, 2000). Uno de los aspectos que dificulta el estudio del comportamiento de los asfaltos es su condición termoplástica, es decir, que al incrementarse la temperatura presenta las características de un flujo newtoniano, esto es, la velocidad de desplazamiento es proporcional al esfuerzo de corte aplicado. En este caso la viscosidad es el coeficiente de proporcionalidad a esa temperatura, o sea, es independiente del tiempo de carga aplicado. Así mismo, al disminuir la temperatura se comporta como un flujo no newtoniano , o lo que es igual, como un flujo visco elástico cuando ha sufrido envejecimiento o se ha sometido a baja temperatura (Arenas, 2000). En este caso la viscosidad depende de los cambios que se producen en el esfuerzo aplicado. Esta condición se llama “susceptibilidad al corte” o “índice de corte” , el cual aumenta a medida que el asfalto se envejece. 17 Otros aspectos que se deben controlar son los del comportamiento y la viscosidad del asfalto durante la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente, debido a que pueden presentar problemas con la temperatura de mezclado. Se ha de garantizar la viscosidad obtenida en el laboratorio a 135 °C. Una baja viscosidad a altas temperaturas de servicio genera ahuellamiento y una alta viscosidad, a baja temperatura de servicio lo rigidiza y se presentan fisuras.1 Figura 4 Variación de la velocidad de deformación para diferentes tipos de cementos asfalticos. 18 1.- http://www.e-asfalto.com/orig_asf/origenasf.htm ASFALTO TIPO l MEJORAS El comportamiento de mezclas asfálticas tanto en altas como en bajas temperaturas FABRICADO Con base en bloques de estireno, en polímeros elastoméricos radiales del tipo bibloque o tribloque; mediante configuraciones como Estireno-Butadieno-Estireno (SBS) o Estireno-Butadieno (SB). UTILIZADO EN Mezclas asfálticas para carpetas delgadas y carpetas estructurales de pavimentos con elevados índices de tránsito y de vehículos pesados, en climas fríos y cálidos, así como para elaborar emulsiones que se utilicen en tratamientos superficiales. ASFALTO TIPO ll MEJORAS El comportamiento de mezclas asfálticas a bajas temperaturas. FABRICADO Con base en polímeros elastoméricos lineales, mediante una configuración de caucho de Estireno, Butadieno-Látex o NeoprenoLátex. UTILIZADO EN Todo tipo de mezclas asfálticas para pavimentos en los que se requiera mejorar su comportamiento de servicio, en climas fríos y templados, así como para elaborar emulsiones que se utilicen en tratamientos superficiales. 19 ASFALTO TIPO lll MEJORAS FABRICADO UTILIZADO EN La resistencia a las roderas de las mezclas asfálticas, disminuye la susceptibilidad del cemento asfáltico a la temperatura y mejora su comportamiento a altas temperaturas. Es fabricado con base en un polímero de tipo elastómero, mediante configuraciones como Etil-Vinil-Acetato (EVA) o polietileno de alta o baja densidad, entre otras. Climas calientes, en mezclas asfálticas para carpetas estructurales de pavimentos con elevados índices de tránsito, así como para elaborar emulsiones que se utilicen en tratamientos superficiales. 20 1.2 POLÍMEROS. Antecedentes En el siglo XVI con el descubrimiento de América, españoles y portugueses tuvieron el primer contacto con un material extraído del árbol nativo (Vahea Brasiliensis), este era producto de la coagulación del caucho, el cual presentaba características de gran elasticidad y flexibilidad desconocidas en ese entonces, al ser llevado a Europa adquiere el nombre de hule o caucho. En 1846 Christian Schónbien (químico alemán) mezcla algodón con acido nítrico dando origen a la nitrocelulosa que fue el primer polímero semi-sintético. Años más tarde, (1862) Alexander Parker (ingles) patenta la nitrocelulosa, también conocida como parquetina. El primer polímero sintético fue producido por Leo Baekeland en 1912 a partir de la reacción entre fenol y formaldehido, dando origen a un producto sólido (resina fenólica) conocido como baquelita. Todos estos compuestos fueron tratados como macromoléculas y en 1953 el creador de esta teoría el científico alemán Hermann Staundinger obtuvo el Premio Nobel de Química. En Norteamérica, (1910) los laboratorios de la casa Du Pont, el químico W. H. Carothers descubre por medio de reacciones de condensación de poliamidas un polímero al que bautiza con el nombre de Nylon. Con la segunda guerra mundial (1939  – 1945) hubo un gran auge en el campo de investigación de los polímeros sintéticos, un ejemplo es el descubrimiento del hule sintético (SBR) en Alemania. Haciendo un poco de historia, los asfaltos modificados se utilizaron primero en las emulsiones para impermeabilizantes y después se empezaron a utilizar en 21 la pavimentación; en riegos como tratamientos superficiales en frío, y posteriormente se empezó a modificar el cemento asfáltico para utilizarse cuando se requería un asfalto de mejor calidad o mayor resistencia que la que ofrecía un cemento asfáltico normal. Hoy en día, el uso de los polímeros se ha expandido a varias aplicaciones debido a su baja densidad, alta resistencia a la corrosión, alta resistencia mecánica y otras propiedades importantes. La utilización comercial de un nuevo producto como el caso de los polímeros depende del costo y sus propiedades. El costo, depende básicamente de su proceso de polimerización y la disponibilidad de los monómeros. Así, las principales fuentes de materia prima para la producción de monómeros son: • Productos Naturales. • Hulla o Carbón Mineral. • Petróleo Productos naturales: En un principio esta fue la fuente utilizada para la producción de polímeros comerciales. La primera macromolécula modificada fue la celulosa, la cual se encuentra en la mayoría de los vegetales y presenta una estructura química constituida por unidades de glucosa enlazadas por átomos de oxigeno formando largas cadenas. Cuando son eliminados los grupos hidroxilos por diferentes reacciones, se obtienen derivados de la celulosa. Cuando esta reacciona con ácido nítrico da origen a la nitrocelulosa, de igual forma se puede obtener el acetato de celulosa. De todos los productos naturales, el petróleo es el más importante. 22 A través de la destilación fraccionada del crudo, se pueden obtener varios productos (naftas, gasolina, kerosina, diesel, grasas parafinitas, aceites lubricantes, etc.). La fracción de donde se obtienen los polímeros es la nafta, la cual al ser procesada genera varias partes gaseosas con moléculas saturadas e insaturadas. Las moléculas insaturadas (etileno, propileno, butadieno, butano, isobutileno) son separadas y aprovechadas para la producción de polímeros. Hulla o carbón mineral: Al ser sometida a un proceso de destilación en seco, se pueden obtener gas de hulla, amonio, alquitrán de hulla o coque. Del gas de hulla es posible separar el etileno (para posteriormente producir polietileno), metano (que por medio de oxidación produce formaldehido, materia básica para la formación de resinas de tipo fenol- formaldehido, urea formaldehido) y finalmente, el amonio que es utilizado para producir urea y aminas para resinas epóxicas. El alquitrán de hulla es una mezcla compleja que por destilación produce benceno (utilizado para producir fenol y estireno). Del coque se obtiene acetileno, el cual por hidrogenación produce etileno y este reacciona con acido clorhídrico produciendo cloruro de vinilo. 23 Producción de los polímeros. Los polímeros al igual que muchos materiales se obtienen a partir de materia prima en plantas especializadas. El proceso para producir un polímero es llamado polimerización, existen dos tipos: Polimerización en cadena:  El material inicial para la polimerización en cadena con frecuencia es un monómero, en el que hay un enlace doble que se puede abrir con la ayuda de un compuesto llamado iniciador (sustancia orgánica o inorgánica o también puede ser un catalizador que no se consume en la reacción). Se lleva a cabo utilizando temperatura elevada y presión baja, este proceso es conocido también como polimerización por adición. Las estructuras más frecuentes para llevar a cabo este tipo de reacción son los hidrocarburos, en los que el carbono y el hidrogeno pueden formar cadenas rectas (hidrocarburos alifáticos) y anillos de benceno (hidrocarburos aromáticos). Polímeros de reacciones por pasos:  En este caso se unen dos monómeros en grupos cortos que crecen gradualmente, pero también se libera un derivado de bajo peso molecular, por ello se le llama también reacción por condensación. En estos polímeros, la longitud promedio de la partícula es controlada cuando se lleva a cabo la reacción, esto significa que el grado de polimerización o número de meros es controlado. 24 Los polímeros se clasifican de la siguiente manera: 1. Cadena Carbónica. 2. Cadena Heterogénea. Estructura Química. 1. Plásticos. Clasificación de Polímeros. Comportamiento Mecánico. 2. Elastómeros. 1. Termoplásticos. 2. Termorígidos (Plastomeros) 3. Fibras. Termoplásticos convencionales, Termoplásticos Desempeño Mecánico. especiales, Termoplásticos de ingeniería, Termoplásticos de ingeniería especiales. 25 1.3 MEZCLAS ASFÁLTICAS1. La Normativa SCT considera los siguientes tipos de mezclas asfálticas para la construcción de carpetas y capas de rodadura: Mezclas asfálticas en caliente Son las mezclas, uniformes y homogéneas, de cemento asfáltico y materiales pétreos, elaboradas en caliente caliente utilizando una planta mezcladora mezcladora estacionaria o móvil, provista del equipo necesario para calentar los componentes de la mezcla y pueden ser: • Mezclas asfálticas en caliente de granulometría densa Son las elaboradas con materiales pétreos bien graduados, con tamaños nominales entre 9,5 y 37,5 mm (⅜ y 1½ in). Normalmente se utilizan en la construcción de carpetas asfálticas de pavimentos nuevos, en los que se requiere una alta resistencia estructural o en renivelaciones y refuerzos de pavimentos existentes. Mezclas asfálticas de granulometría abierta Son las elaboradas con materiales pétreos de granulometría uniforme, con tamaños máximos de 19 y 25 mm (¾ y 1 in). Estas mezclas no tienen función estructural por su alto porcentaje de vacíos, por lo que normalmente se utilizan para formar capas de rodadura sobre carpetas de granulometría densa, con la finalidad de permitir que el agua de lluvia sea desplazada por las llantas de los vehículos, ocupando los vacíos de la capa, con lo que se incrementa la fricción entre las llantas y la superficie de rodadura, se minimiza el acuaplaneo, se reduce la cantidad de agua que se impulsa sobre los vehículos adyacentes y se mejora la visibilidad del señalamiento horizontal. No deben colocarse en zonas susceptibles al congelamiento ni donde la precipitación sea menor de 600 mm/año. 1.- NORMAS MEXICANAS PARA EL MANTENIMIENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CARRETERAS 26 • Mezclas asfálticas de granulometría discontinua, tipo SMA Son las mezclas elaboradas con materiales pétreos de granulometría discontinua, con tamaños nominales entre 9,5 y 19,0 mm (⅜ y ¾ in). Estas mezclas tienen una elevada macrotextura, con lo que se evita que el agua de lluvia forme una película continua sobre la superficie del pavimento, por lo que normalmente se utilizan para formar capas de rodadura, aunque también pueden utilizarse en capas inferiores en carreteras de alto tránsito. Cuando son usadas como capas de rodadura, su finalidad principal es mejorar las condiciones de circulación de los vehículos respecto a una carpeta asfáltica convencional, incrementando la fricción de las llantas, minimizando el acuaplaneo, reduciendo la cantidad de agua que se proyecta sobre los vehículos adyacentes, mejorando la visibilidad del señalamiento horizontal y reduciendo el ruido hacia el entorno por la fricción entre las llantas y el pavimento. Mezclas asfálticas en frío Son las mezclas, uniformes y homogéneas, de emulsiones asfálticas o de asfaltos rebajados y materiales pétreos, elaboradas en frío utilizando una planta mezcladora móvil y pueden ser: • Mezclas asfálticas en frío de granulometría densa  Son las elaboradas con materiales pétreos bien graduados, con tamaños nominales entre 9,5 y 37,5 mm (⅜ y 1½ in). Normalmente se utilizan en la construcción de carpetas asfálticas de pavimentos nuevos en los que se requiere buena resistencia estructural, cuando el tránsito esperado durante la vida útil del pavimento (ΣL), en términos del número de ejes equivalentes acumulados de 8,2 t, 27 es igual que 1 millón o menor, y en carpetas para el refuerzo de pavimentos existentes, así como para la reparación de baches. • Morteros asfálticos  Son los elaborados con arena de tamaño máximo de 4,75 mm (N°4). Normalmente se colocan sobre una base impregnada o una carpeta asfáltica, como capa de rodadura. Mezclas asfálticas por el sistema de riegos Son las que se construyen mediante la aplicación de uno o dos riegos de un material asfáltico, intercalados con una, dos o tres capas sucesivas de material pétreo triturado de tamaños decrecientes. Normalmente se colocan sobre una base impregnada o una carpeta asfáltica, nueva o existente, como capa de rodadura con el objeto de proporcionar resistencia al derrapamiento y al pulimento. 28 1.4 ASFALTO MODIFICADO. Los asfaltos modificados con polímeros elevan la vida útil de un pavimento de dos a tres veces (según el caso a aplicar) con un costo adicional de hasta un 25% sobre la mezcla asfáltica. Esta plenamente probado que los asfaltos convencionales poseen propiedades satisfactorias tanto mecánicas como de adhesión en una amplia gama de aplicaciones y bajo distintas condiciones climáticas y de transito. Sin embargo, el creciente incremento de volumen del tránsito y la magnitud de las cargas, y la necesidad de optimizar las inversiones, provoca que, en algunos casos, las propiedades de los asfaltos convencionales resulten insuficientes. Por ejemplo, con los asfaltos convencionales, aun con los grados más duros, no es posible eliminar el problema de las deformaciones producidas por el transito canalizado (ahuellamiento), especialmente cuando se deben afrontar condiciones de alta temperatura. Además, con la simple adopción de asfaltos más duros se corren el riesgo de fisuraciones por efectos térmicos cuando las temperaturas son muy bajas. Con ciertas mezclas abiertas, alternativa generada por razones de confort y seguridad, con los ligantes convencionales no se alcanzaría una resistencia mecánica suficiente a causa de una insuficiente cohesión y adhesividad, lo que unido al bajo contenido de ligante de estas mezclas podría redundar en una disminución en su durabilidad. Del mismo modo, las nuevas capas superficiales delgadas serian menos durables cuando se vean sometidas a altas intensidades de transito. Ante las situaciones mencionadas, además de apelar a nuevas tecnologías constructivas y del resto de los materiales (áridos), una solución evidente fue mejorar algunas características de los asfaltos para lograr un mejor comportamiento de los pavimentos. Ello dio origen a nuevos asfaltos que genéricamente fueron denominados "Asfaltos Modificados". 29 Existen entonces asfaltos modificados por: - Elastómeros - Plastomeros - Otros Además de los Asfaltos Modificados con polímeros, algunos países emplean asfaltos especiales y multigrados, comúnmente denominados alto índice. Los polímeros del tipo SBS son, por lejos, los más utilizados siguiéndole en las preferencias los plastomeros del tipo EVA. El uso de asfaltos especiales o de alto índice no ha alcanzado hasta el momento el mismo crecimiento que los asfaltos modificados con polímeros pero se observan buenas perspectivas de crecimiento. Una crítica generalizada es que se ha enfatizado mostrar las ventajas técnicas de los asfaltos modificados, pero se han realizado pocos estudios que tengan en cuenta la relación costo-beneficio. 1.5 MAQUINARIA NECESARIA. Cada empresa que maneja los asfaltos modificados y sus derivados ocupa diferente maquinaria toda muy semejante a la que se ocupa normalmente para los asfaltos convencionales pero se necesitan de maquinaria especial para el manejo de los polímeros. A continuación se presenta una planta portátil para la aplicación de asfaltos modificados con polímeros. Forma de operación: Se vierte el producto sin refinar en el recipiente, luego se ubica el equipo y se lo coloca en marcha, para agregar a continuación, el polímero a disolver o por ejemplo, pigmentos, aditivos, vehículos regenerantes, polvos, etc. Está provisto de una turbina abierta. 30 Posee una cabeza mezcladora que trabaja según el principio de inyección. Los medios de sujeción pueden ser: bridas, brazos de apoyo, preparado para colgar, etc. La triple acción positiva explica su superioridad aceptada tanto en su velocidad como eficiencia en agitadores y disolvedores. Con estos agitadores la acción total está limitada al mezclado o recirculación del líquido o alguna solución o mezclados. Las tres etapas del ciclo de mezclado son: Etapa 1: Los materiales son colocados por succión en el fondo del cabezal de trabajo Fig.1. y sujetados a una intensa acción de mezclado por la rotación a alta velocidad de las hojas en el espacio cerrado. 31 Etapa 2: Durante la expulsión desde el cabezal de trabajo, las hojas del rotor sujetan el material a una intensa acción de corte a la mas alta velocidad, lo que garantiza un extra rápido y total proceso de corte y disolución. La malla emulsora o el cabezal desintegrador asiste al proceso, disolviendo aglomerados, removiendo grandes tamaños de partículas de manera que produce emulsiones homogéneas y dispersiones en minutos. Etapa 3: Los materiales procesados son luego expedidos con gran fuerza y velocidad dentro del cuerpo de la mezcla. Al mismo tiempo el material nuevo ingresa a la base del cabezal mezclador. Esta entrada y salida de las mezclas indica un patrón de circulación el cual dependerá del tamaño del tanque y el tipo de cabezal o equipamiento utilizado. El total de la mezcla pasa a través del cabezal mezclador cientos de veces durante el proceso y la combinación de las tres etapas del ciclo resulta un mezclado positivo, controlado y eficiente. La acción de la maquina es tan suave que puede ser usada con el liquido a menos de tres centímetros del borde inferior del tanque. Está completamente libre de vibraciones y de las innecesarias y no deseables características de turbulencias contra todo otro tipo de mezcladores de alta velocidad. Todas las partes de trabajo están construidas de acero inoxidable con excepción de los bujes auto lubricados. Son fácilmente limpiables, poco o nulo mantenimiento siendo necesario. 32 1.6 BETÚN MODIFICADO. El betún, procedente del petróleo, se utilizó por primera vez en construcción de carreteras a principios de este siglo con el propósito de evitar el polvo levantado por el paso de los vehículos sobre los, todavía, áridos sueltos en calles y pavimentaciones. Las ventajas del betún asfáltico residen fundamentalmente en sus características termoplásticas, adherencia y naturaleza impermeable. Sometido a temperaturas elevadas se comporta como un fluido permitiendo su mezclado con áridos y a las temperaturas usuales de servicio, se convierte en un semisólido rígido, actuando como ligante y otorgando todas aquellas propiedades conocidas a las mezclas resultantes. Generalmente, la temperatura de fabricación de las mezclas asfálticas oscila entre 140 y 180 ºC (dependiendo del tipo de ligante utilizado y de la mezcla asfáltica a fabricar) y la temperatura de compactación entre, 80 y 140 ºC. En este último margen de temperatura, el betún es aún suficientemente fluido como para permitir la correcta compactación de la mezcla, endureciéndose o medida que la temperatura desciende de modo que dentro del rango de temperaturas normales de servicio de los pavimentos (0 a 70 ºC), la mezcla asfáltica resultante ofrezca una superficie duradera capaz de soportar, a la vez, las distintas cargas impuestas por el tráfico y los cambios de temperatura a los que se ve sometida. Los factores que afectan al comportamiento final de las mezclas asfálticas son muchos, entre los que podemos citar: calidad y granulometría de los áridos características del ligante nivel de compactación grosor de la película de ligante rango de temperatura de servicio cargas del tráfico 33 velocidad del tráfico Razones Que Justifican La Utilización De Los Betunes Modificados Con Polímeros En la mayoría de las aplicaciones, con betunes de penetración convencionales, se obtienen resultados satisfactorios. Sin embargo al aumentar Las intensidades del tráfico y cargas por vehículo (hasta 44 toneladas en la mayoría de los países europeos y el uso creciente de ejes "súper sencillos"), las exigencias sobre los materiales bituminosos son cada día más elevados. Combinando lo dicho anteriormente con los costes originados por las perturbaciones y retrasos ante la necesidad de reconstrucción y mantenimiento de la red de carreteras, resulta evidente que los betunes modificados con polímeros pueden aportar respuestas a estas peticiones, cada vez más frecuentes. Allá por 1873, ya se estableció una patente de un aglomerado asfáltico conteniendo goma látex aplicándose en 1902 en Francia una mezcla asfáltica modificada con látex. 1.7 RIESGOS DE SEGURIDAD. Son productos que requieren un proceso diferente y más complicado esto requiere más cuidado en el manejo de los materiales pero también se debe considerar los riesgos a la salud y a la seguridad del personal. RIESGOS FÍSICOS: Se almacenan y manejan normalmente por encima de los 100 ºC por lo que el contacto con agua puede producir una expansión violenta, peligro de salpicaduras y desbordamiento por ebullición. Aunque no están clasificados como inflamables, los asfaltos son materiales hidrocarbonados y pueden arder. 34 35 TOXICOLÓGICOS: INHALACIÓN: Cuando son calentados, los asfaltos producen humos. Aunque no se piensa que éstos produzcan daño significativo para la salud, la prudencia aconseja que se debe minimizar la exposición, observando buenas prácticas de trabajo y asegurando buena ventilación en las áreas de trabajo. El sulfuro de hidrógeno puede acumularse en el espacio de cabeza de los tanques de almacenamiento y potencialmente puede alcanzar concentraciones peligrosas. INGESTIÓN: No es probable. CONTACTO PIEL/OJOS: Los asfaltos se manejan normalmente a alta temperatura lo que puede causar quemaduras térmicas. EFECTOS TÓXICOS GENERALES: El problema principal puede provenir por quemaduras de piel y por exposiciones prolongadas a vapores. PRECAUCIONES GENERAL: Cuando se manipula asfalto en lugares cerrados, debe existir una buena ventilación local. 36 CAPÍTULO 2 ASFALTOS MODIFICADOS MÁS UTILIZADOS. 37 2.1 Asfaltos modificados con polímeros tipo elastómeros1 Se requiere mezclar tres componentes: asfalto, resina base y un endurecedor, lo que complica la modificación ya que debe existir compatibilidad entre estos. Figura 5 Elastómero Los asfaltos modificados tienen una elevada resistencia mecánica, gran resistencia a la tracción, buen poder humectante y adhesión a los agregados. Si el trabajo con este tipo de asfalto es realizado dentro de los parámetros correctos, su tiempo de vida está condicionado por la vida del agregado, no por el asfalto; en otras palabras el pavimento se deteriora por trituración o abrasión del agregado antes que por la falla del ligante (asfalto). Su resistencia al envejecimiento es excelente. Son empleados para casos específicos como: • Zonas de frenado intenso, donde se requiere una gran resistencia al derrapaje. • Zonas donde se requiere resistir a las maniobras o a los agentes químicos. • Zonas donde se requiere mantener una buena rugosidad durante largos periodos de tiempo. 1.http://www.semgroupcorp.com/operationsandcommodities/asphalt/semmaterialsmexico/products andsystems.aspx?sc_lang=es-MX 38 2.2 Latex, hule natural, SBS, SBR: Este tipo de polímero es el más utilizado en la modificación del asfalto, el efecto de la adición de estos al asfalto es aumentar su intervalo de plasticidad y disminuir la susceptibilidad térmica. El punto de ablandamiento puede aumentar hasta 20°C, a temperaturas inferiores a 70°C los asfaltos tienen menor penetración, esto es interesante ya que a estas temperaturas se dan deformaciones en las superficies de rodamiento. Figura 6 SBR Figura 7 SBS procesado. Los asfaltos son más duros pero siguen siendo elásticos lo que evita la formación de roderas y el agrietamiento de las mismas. La rigidez de estos asfaltos ayuda a soportar los largos tiempos de carga sin deformaciones. Entre -10°C y + 10°C el elastómero proporciona al asfalto mayor elasticidad sin aumentar la rigidez. 39 2.3 Hule de llanta: Las propiedades que adquiere el asfalto al añadirle este tipo de hule son similares a las que se obtienen con el polímero SBR o SBS aunque, se deben utilizar dosificaciones más elevadas. Las llantas para ser utilizadas como agentes modificadores de asfalto requieren de un proceso físico para reducir sus dimensiones, el cual suele ser complejo. Figura 8 Hule de llanta triturado. Estos asfaltos modificados presentan altas viscosidades por lo que se requiere el empleo de algún fluidificante, alrededor del 6% de queroseno. Son usados principalmente en riegos de sello destinados a absorber las grietas debidas a contracciones y dilataciones, estos riegos son llamados SAM (membranas de absorción de tensiones). 40 2.4 Asfaltos modificados con polímeros tipo plastómeros Debido a la forma en que estos polímeros se incorporan al asfalto aumentan de forma considerable su viscosidad, incluso en bajas dosificaciones. Si se aumenta la concentración del polímero, se llega a un punto en el cual la mayoría de los aceites están asociados con el polímero y se produce un cambio drástico en las propiedades físicas del asfalto. Estas se acercan más a las propiedades del polímero que a las del asfalto. Figura 9 Plastómero Esto sucede cuando el contenido del polímero va de 8  – 10%, en este punto, el asfalto aumenta el intervalo de plasticidad, aumenta la resistencia a la ruptura, disminuye su sensibilidad térmica sobre todo en el intervalo de temperaturas de aplicación. 41 2.5 Polietileno: Este polímero no tiene una alta compatibilidad con el asfalto ni le confiere propiedades espectaculares, pero se usa ya que es un componente de bajo costo y soluciona un problema ecológico, al poder disponer de los desechos de este material en las carreteras. Figura 10 Polietileno. Los asfaltos modificados con este tipo de polímero termoplástico cuando son añadidos en bajas proporciones, poseen las siguientes propiedades: • Buena resistencia al calor. • Buena resistencia al envejecimiento. • Baja viscosidad. En el plano mecánico: Buena flexibilidad a baja temperatura. • Cuando es utilizado en concentraciones de 7% aumenta la rigidez del asfalto a temperaturas elevadas. • Buena resistencia a deformaciones permanentes. • 42 2.6 POLICLORURO DE VINILO (PVC): Este polímero conocido científicamente como policloruro de vinilo tiene baja compatibilidad con el asfalto, no es resistente al calor y se descompone por la acción de la luz solar. Figura 11 PVC granulo suave. Resiste muy bien al agua y/o agentes químicos; es por esto que no es utilizado para la modificación de asfalto. 43 2.7 ETILO-VINIL-ACETATO (EVA): Los polímeros o resinas Etilo-Vinil - Acetato son relativamente nuevos en la modificación de asfaltos, son muy compatibles con estos. La relación acetato de vinilo/ etileno es muy importante, pudiéndose variar el contenido de acetato de vinilo de algún % hasta 50% o incluso más. Cuando los contenidos de acetato de vinilo son bajos las propiedades se asemejan a las de los asfaltos mencionados anteriormente. Figura 12 EVA Un polímero EVA con un contenido del 18% de acetato de vinilo es el más adecuado para ser usado en la construcción de carreteras. Cuando se aumenta la concentración de acetato de vinilo en el polímero (15 a 30%), adquiere un excelente poder adherente. Los asfaltos modificados con EVA poseen las siguientes características: • • • • • Buena estabilidad térmica a un costo razonable. Las dosificaciones de polímero oscilan entre el 2 hasta un 10% dependiendo de las propiedades que se pretende obtener. La temperatura de ablandamiento aumenta entre 6 y 12°C. Excelente resistencia al resquebrajamiento en flexión es decir a las fatigas provocadas por las flexiones o vibraciones repetidas. Aumentan la cohesión de las mezclas a medida que se aumenta el contenido del polímero. 44 2.8 ESTADISTICAS DE CONSUMO Ya se detallo anteriormente los materiales aditivos para los asfaltos modificados, ahora se mostraran las estadísticas de consumo de los materiales con mayor demanda. Los asfaltos modificados para el segmento vial marcaron un nuevo rumbo dentro de la estructura del mercado de asfaltos. En cuanto al mercado de los asfaltos viales, constituidos en componentes de especial importancia en las calzadas, se observa una pronunciada declinación, no obstante la variedad de productos disponibles, calculando que de mantenerse la actual tendencia, el consumo caería a un 50% de los valores del año 1999. El perjuicio del sistema vial impacta negativamente en los costos operativos del transporte automotor, reduce el confort y compromete la seguridad de los usuarios. En contraste, debe rescatarse el continuo desarrollo tecnológico de los asfaltos viales y sus mezclas, dando origen a una variedad de productos que han mejorado el comportamiento y durabilidad de las estructuras, influyendo, por extensión, a la fabricación de nuevos equipos, con modelos de alta calidad y rendimiento. Lo nuevo en cuanto a construcción de carreteras son los asfaltos modificados, los mismos están compuestos por una base asfáltica regular, proveniente de un proceso de destilación, con una mezcla de polímeros, que después de un proceso de mezclado y un tiempo de digestión, dan forma a un asfalto particular con una gran elasticidad y un gran poder de escurrimiento al agua, lo que los hace ideales para utilizar en emprendimientos viales de gran escala (autopistas, rutas). 45 En el mercado mundial la demanda de pavimentos está distribuida de la siguiente manera: ESTRUCTURA DEL MERCADO modificados 9% cementos asfálticos 49% diluidos 12% emulsiones 13% pintura asfáltica 0% plastico mas base 17% Figura 13 Estadística de Consumo Los asfaltos modificados para el segmento vial marcaron un nuevo rumbo dentro de la estructura del mercado de asfaltos. Se espera una misma situación para el mercado de asfaltos para las membranas asfálticas.1 46 1. http://www.e-asphalt.com/estconsumo/index.htm CAPÍTULO 3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE POLÍMEROS EN LOS ASFALTOS. 47 Para entender las ventajas de los asfaltos modificados es necesario conocer antes las diferencias entre los asfaltos convencionales y asfaltos modificados con polímeros A continuación se presenta gráficamente las diferencias más notables entre ambos asfaltos: alta 100% 100% 90% 100% 90% 80% 70% 60% 60 % media 60% 50% 40% baja A.C. A.M.P. A.C COSTOS A.M.P. A.C. PERMEABILIDAD A.M.P. A.C. TRAFICO A.M.P. A.C. DURABILIDAD A.M.P. A.C. ADHESION A.M.P. CAMBIOS CLIMATICOS En esta imagen se muestra una gráfica de los asfaltos modificados con polímeros, involucrando todos los diferentes tipos de polímeros que se manejan en el mercado, ya que determinar cada uno de ellos requeriría hacer una gráfica por cada polímero. Los porcentajes fueron determinados con respecto al consumo del asfalto convencional con respecto al asfalto modificado con polímeros, y por las características que le distinguen a cada uno de estos asfaltos. La primera diferencia significativa entre asfaltos modificados con polímeros compatibles e incompatibles se muestra en el envejecimiento. 48 Los asfaltos modificados compatibles presentan una mayor resistencia al envejecimiento que los no compatibles. Los asfaltos modificados con polímeros elevan la vida útil de un pavimento de dos a tres veces con un costo adicional de hasta un 25% sobre la mezcla asfáltica. Esta plenamente probado que los asfaltos convencionales poseen propiedades satisfactorias tanto mecánicas como de adhesión en una amplia gama de aplicaciones y bajo distintas condiciones climáticas y de transito. Sin embargo, el creciente incremento de volumen del tránsito y la magnitud de las cargas, y la necesidad de optimizar las inversiones, provoca que, en algunos casos, las propiedades de los asfaltos convencionales resulten insuficientes. Con ciertas mezclas abiertas, alternativa generada por razones de confort y seguridad, con los ligantes convencionales no se alcanzaría una resistencia mecánica suficiente a causa de una insuficiente cohesión y adhesividad, lo que unido al bajo contenido de ligante de estas mezclas podría redundar en una disminución en su durabilidad. Del mismo modo, las nuevas capas superficiales delgadas serian menos durables cuando se vean sometidas a altas intensidades de transito. 49 En el efecto de ahuellamiento entre los asfaltos modificados y los asfaltos convencionales se nota una gran diferencia como se muestra en las siguientes imágenes. Figura 14 Asfalto convencional sometido a trafico a 60°C. Figura 15 Asfalto modificado sometido a trafico a 60°C. La resistencia de estas mezclas se consigue con áridos de buena calidad, elevado porcentaje de filler (8 a 10%) y un asfalto modificado con polímeros. En este tipo de mezclas es de vital importancia la adherencias con la capa subyacente (esta también influye en la durabilidad). Estas también deben ser resistentes, para soportar la acción del tránsito y el desprendimiento de los áridos. 50 Comparando a estos dos tipos de asfaltos en una relación viscosidad/temperatura se obtendría la siguiente grafica1: Efecto del Asfalto modificado con polímeros sobre la rigidez y la temperatura. A.M.    o    t     l    a     f    s    a     l    e    d    d    a    d    i    s    o    c    s    i    V A.C. baja alta Temperatura del pavimento Los asfaltos modificados con polímeros están constituidos por dos fases, una formada por pequeñas partículas de polímero hinchado y la otra por asfalto. En las composiciones de baja concentración de polímeros existe una matriz continua de asfalto en la que se encuentra disperso el polímero; pero si se aumenta la proporción de polímero en el asfalto se produce una inversión de fases, estando la fase continua constituida por el polímero hinchado y la fase discontinua corresponde al asfalto que se encuentra disperso en ella. El efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación viscosidad-temperatura(sobre todo en el rango de temperaturas de servicio de las mezclas asfálticas) permitiendo mejorar de esta manera el comportamiento del asfalto tanto a bajas como a altas temperaturas. Mientras que la relación tensión/fatiga mostraría los siguientes resultados: 51 Relación Tensión/Fatiga entre asfaltos convenionales y modificados. A.M.P  .     l    a    i    i     f    r    e    p    u    s    n     ó    i    s    n    e    T ASFALTO CONVENCIONAL Retraso del fallo por fatiga. Los polímeros compatibles producen rápidamente un asfalto estable, usando técnicas convencionales de preparación. Estos sistemas convencionales de preparación de asfaltos modificados con polímeros son grandes recipientes de mezclado con paletas agitadoras a velocidades lentas, o recipientes especiales que favorecen la recirculación con agitadores mecánicos de corte de gran velocidad. El polímero puede venir en polvo, en forma de pequeñas bolitas (pellets) o en grandes panes. La temperatura de mezclado depende del tipo de polímero utilizado. En la actualidad muchos fabricantes de asfaltos, han instalados equipos especializados para la preparación de A.M.P, estas centrales producen asfaltos modificados con polímeros que alcanzan altas prestaciones. 52 3.1 Ventajas del Uso de Polímeros en el Asfalto . Ya que se conocen las diferencias más destacadas entre los asfaltos convencionales y los modificados con polímeros; se pueden deducir las ventajas y desventajas de añadir polímeros en los asfaltos. A continuación se clasifican las ventajas de los asfaltos modificados: MÉCANICAS Disminuyen la susceptibilidad a los tiempos de aplicación de carga. Aumentan la resistencia a la deformación permanente y a la rotura en un rango más amplio de temperaturas, tensiones y tiempo de carga. Tienen una elevada resistencia mecánica, gran resistencia a la tracción, buen poder humectante y adhesión los agregados. Los asfaltos modificados con látex, hule natural, SBS y SBR son más duros pero siguen siendo elásticos lo que evita la formación de roderas y agrietamiento de los mismos. El polímero elastómero se comprime al aplicar un esfuerzo, pero recobran su forma original al ser retirado. Se obtienen mezclas más flexibles a bajas temperaturas de servicio reduciendo el fisuramiento. Disminuye la exudación del asfalto: por la mayor viscosidad de la mezcla, su menor tendencia a fluir y su mayor elasticidad. 53 Mayor elasticidad: debido a los polímeros de cadenas largas. Mayor adherencia: debido a los polímeros de cadenas cortas. Mayor cohesión: el polímero refuerza la cohesión de la mezcla. Mejor trabajabilidad y compactación: por la acción lubricante del polímero o de los aditivos incorporados para el mezclado. Mejor impermeabilización: en los sellados bituminosos, pues absorbe mejor los esfuerzos tangenciales, evitando la propagación de las fisuras. Mayor resistencia al derrame de combustibles. Disminuye el nivel de ruidos: sobre todo en mezclas abiertas. No requieren equipos especiales. TÉRMICAS Disminuyen la susceptibilidad térmica. Disminuyen la fragilidad en climas y aumentan la cohesión en tiempos de calor. Varía su comportamiento de acuerdo a la temperatura en que se encuentren. Los elastómeros son deformables a temperatura ambiente. 54 ECONÓMICAS El costo, depende básicamente de su proceso de polimerización y la disponibilidad de los monómeros. Fácilmente disponible en el mercado. TIEMPO DE VIDA Los asfaltos modificados con elastómeros se deteriora por la trituración o abrasión del agregado antes que por la falla del ligante (asfalto). El polímero elastómero proporciona una excelente resistencia al envejecimiento. Mejora la vida útil de las mezclas: menos trabajos de conservación. La rigidez de los asfaltos compuestos de látex, hule natural, SBS y SBR ayudan a soportar los largos tiempos de carga sin deformaciones. FÍSICAS Mejorar la adherencia a los agregados. Mejoran el comportamiento tanto a bajas como a altas temperaturas; dado que el efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación viscosidad – temperatura. Mayor intervalo de plasticidad. Mayor cohesión Mayor resistencia a la acción del agua. 55 El modificar un asfalto con un polímero compatible produce rápidamente un asfalto estable usando técnicas convencionales de preparación. El asfalto modificado con polímero Stylink no requiere de agitación constante ni ser mantenido a altas temperaturas. Las propiedades del producto no se ven afectadas si se mantiene almacenado a temperatura ambiente por periodos prolongados. Permiten mayor espesor de la película de asfalto sobre el agregado. ECOLOGICAS. La mayoría de los polímeros están basados en un esqueleto de carbono, por lo que son materiales orgánicos. 56 3.2 Desventajas del Uso de Polímeros en el Asfalto Alto costo del polímero. Dificultades del mezclado: no todos los polímeros son compatibles con el asfalto base (existen aditivos correctores). Deben extremarse los cuidados en el momento de la elaboración de la mezcla. Los agregados no deben estar húmedos ni sucios. La temperatura mínima de distribución es de 145ºC por su rápido endurecimiento. 57 En la siguiente grafica se muestra la diferencia económica entre los asfaltos convencional y modificado con polímeros. Otras propiedades que el asfalto modificado mejora respecto del asfalto convencional son: Mayor intervalo de plasticidad(diferencia entre el punto de ablandamiento y el Fraass) Mayor cohesión. Mejora de la respuesta elástica. Mayor resistencia a la acción del agua. Mayor resistencia al envejecimiento. Las propiedades que estos imparten dependen de los siguientes factores: Tipo y composición del polímero incorporado. Característica y estructura coloidal del asfalto base. Proporción relativa de asfalto y polímero. 58 RECOMENDACIONES Este trabajo se realizo sobre los asfaltos modificados con polímeros en general y se espera tenga continuidad profundizando sobre los diferentes polímeros y mezclas asfálticas que se pueden lograr; así como también un estudio sobre los beneficios obtenidos a largo y mediano plazo de los asfaltos modificados. 59 CONCLUSIONES El utilizar polímeros en los asfaltos ha cambiado las propiedades de la capa asfáltica; lo cual ha permitido añadir nuevas propiedades los asfaltos mejorando las características de los mismos. Cada polímero añadirá una propiedad diferente al asfalto de acuerdo a la finalidad del pavimento ya que la elección del polímero depende de las circunstancias tales como tráfico, temperatura, tipo de terreno, etc. Pero sin embargo a demostrado tener mejor rendimiento que los asfaltos comunes aunque su costo es más elevado. El uso de polímeros en mezclas modificadas no altera los procedimientos usados normalmente en los trabajos de pavimentación. Así mismo ha demostrado beneficios en países de Europa y en Estados Unidos; a pesar del incremento en el costo inicial en los cementos asfalticos. 60 GLOSARIO AASHTO: American Association of State Highway Officials (Asociación Americana de Oficiales de Autopista Estatal y Transportación) Adhesión: Estado en el cual dos superficies se mantienen unidas por fuerzas interfasiales. Aditivo: Es todo aquel producto que se adiciona a un material asfáltico o emulsión, con el objeto de proporcionarle alguna otra propiedad que no tiene originalmente, cambiando de esta forma, su comportamiento durante su aplicación. Adhesividad: Es la propiedad de un ligante y un agregado de adherirse uno a otro, sin peligro de perder esta propiedad en presencia de la humedad. Agregado Material granular duro de composición mineralógica como la arena, la grava, la escoria o la roca triturada, usado para ser mezclado en diferentes tamaños. Agregado grueso Agregado retenido en el tamiz de 4.75 mm (# 4). Agregado fino Agregado que pasa el tamiz de 4.75 mm (# 4). 61 Ahuellamiento Surcos que se desarrollan en el pavimento, en los carriles de las ruedas. Puede ser resultado de una consolidación por movimiento lateral de una o más capas del pavimento bajo efectos del tráfico o, pueden ser generados por un desplazamiento de la superficie misma del pavimento. Ocurren como resultado del movimiento plástico de una mezcla que tiene muy poca estabilidad para resistir el tráfico. Alquitrán de hulla Material de color carmelito oscuro a negro, producido mediante la destilación destructiva del carbón bituminoso de piedra. Aniónico: Que debe sus características a la presencia o a la concentración, sea en la superficie o en la masa, de iones negativos o aniones. Asfáltenos Son la fracción de hidrocarburo de alto peso molecular, en el asfalto, que es precipitada por medio de un solvente parafínico de nafta, usando una proporción específica de solvente - asfalto. Asfalto Material cementante, de color entre carmelito oscuro y negro, en el cual los constituyentes predominantes son bitúmenes que aparecen en la naturaleza o se obtienen en el procesamiento del petróleo. El asfalto es un constituyente, en proporciones variables, de la mayoría de petróleos crudos. Asfalto modificado Producto resultante de la incorporación en el asfalto de un polímero o de hule molido. 62 ASTM: American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales). Betun: Asfalto, chapopote, etc. es lo mismo. Se dice que es una mezcla de hidrocarburos que se presentan en estado natural y como residuo de la destilación del petróleo. Bitumen Sustancia cementante de color negro (sólida, semi- sólida o viscosa), natural o fabricada, compuesta principalmente de hidrocarburos de alto peso molecular, siendo típicos los asfaltos, las breas o alquitranes, los betunes y las asfaltitas. Briqueta: Es un anglicismo con el cual se denomina al espécimen formado empleando un molde de acuerdo a la prueba que se vaya a realizar. Catiónico: Que debe sus características a una concentración o a una absorción de iones positivos o cationes. Cemento asfáltico Un asfalto con flujo o sin flujo, especialmente preparado en cuanto a calidad y consistencia para ser usado directamente en la producción de pavimentos asfálticos. Cohesión: Tipo de atracción entre dos substancias o materiales. 63 Compactación Acto de comprimir un volumen dado de material en un volumen más pequeño. Generalmente la compactación se logra usando los rodillos o compactadores neumáticos. Consistencia Describe el grado de fluidez o plasticidad de un cemento asfáltico a determinada temperatura. La consistencia de un cemento asfáltico varía con la temperatura: por lo tanto es necesario usar una temperatura patrón cuando se está comparando la consistencia de un cemento asfáltico con la de otro. La temperatura utilizada para este propósito es 60°C (140°F). Curado: De un mortero asfáltico o de una mezcla asfáltica con emulsión tienen para muchas personas el mismo sentido que fraguado. Se dice que es el estado físico de estas mezclas en el momento que son capaces de soportar cargas sin deformarse. Estos términos se han tomado de la técnica de los concretos hidráulicos u hormigones. Deformación Cualquier cambio que presente un pavimento respecto a su forma original. Densidad Grado de solidez que puede alcanzarse en una mezcla dada. Está limitada por la eliminación total de los vacíos que se encuentran entre las partículas de la mezcla. Desintegración Separación progresiva de las partículas del agregado en el pavimento desde la superficie hacia abajo, o desde los bordes hacia el interior. Puede 64 ser causada por falta de compactación, construcción de una capa de rodadura muy delgada en periodos fríos, agregado sucio o desintegrable, muy poco asfalto en la mezcla o sobrecalentamiento de la mezcla asfáltica. Dispersión: Este término se debe tomar literalmente cuando se aplique a trabajos con emulsión; sin embargo, cuando se refiere a la fabricación de estos, la palabra dispersión indica que el asfalto está disperso en un medio acuoso especial. Esto se logra por medio de aparatos especiales, tales como molinos coloidales. Ductilidad Capacidad de una sustancia para ser estirada o estrechada en forma delgada. Estabilidad Capacidad de una mezcla asfáltica de resistir deformación bajo las cargas impuestas. La estabilidad está en función de la cohesión y la fricción interna del material. Flexibilidad Capacidad del pavimento asfáltico de ajustarse a los asentamientos en la fundación. Grietas Fracturas en la superficie del pavimento asfáltico. Impermeabilidad Capacidad de un pavimento asfáltico de resistir el paso de aire y agua dentro o a través del mismo. 65 Mezcla en caliente Mezclas de planta que deben ser colocadas y compactadas a temperaturas elevadas. Ondulaciones Deformación en el pavimento, dando origen a un movimiento plástico caracterizado por ondas en la superficie del pavimento. Penetración Consistencia de un material bituminoso, se expresa como la distancia, en décimas de milímetro (0.1 mm), que una aguja patrón penetra verticalmente una muestra del material bajo condiciones específicas de carga, tiempo y temperatura. Poise Unidad, centímetro-gramo-segundo, de viscosidad absoluta. Polímero Sustancia que consiste en grandes moléculas formadas por muchas unidades pequeñas que se repiten. Resistencia a la fatiga Capacidad de un pavimento asfáltico para resistir flexión repetida causada por cargas móviles. Entre más alto contenido de asfalto, mayor será la resistencia a la fatiga. Resistencia al deslizamiento Propiedad de la superficie asfáltica de resistir el deslizamiento, particularmente cuando esta mojado. 66 Stoke Unidad de viscosidad cinemática igual a la viscosidad de un fluido en poises dividida entre la densidad del fluido en gramos por centímetro cúbico. Tamiz Aparato de aberturas cuadradas, utilizado para separar tamaños de material. Trabajabilidad Facilidad con que las mezclas de pavimentación pueden ser colocadas y compactadas. Vacíos Espacios de aire en una mezcla compactada rodeados de partículas cubiertas de asfalto. Viscosidad Medida de la resistencia al flujo. Método usado para medir la consistencia del asfalto. Viscosidad absoluta Método utilizado para medir viscosidad usando el poise como la unidad de medida. Este método hace uso de un vacío parcial para inducir el flujo en el viscosímetro. Viscosidad cinemática Método utilizado para medir viscosidad usando el poise como la unidad de medida 67 BIBLIOGRAFÍA • SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES, NORMATIVA PARA LA INFRAESTRUCTURA DEL TRANSPORTE, EDITORIAL 2000. • NORMAS MEXICANAS PARA EL MANTENIMIENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CARRETERAS PAGINAS ELECTRONICAS CONSULTADAS: http://www.monografías.com/trabajos15/asfaltos-modificados/asfaltosmodificados.shtml 15/marzo/2010 http://www.e-asfalto.com/orig_asf/origenasf.htm 15/marzo/2010 http://www.e-asfalto.com/go?org_asf/historia_del_asfalto.htm 15/marzo/2010 http://www.e-asphalt.com/modificados/modificados.htm 16/marzo/2010 http://www.e-asfalto.com/pavimentos/pavimentos.htm 15/marzo/2010 http://construccionyseguridad.blogspot.com 15/marzo/2010 http://www.amaac.org.mx/asfalt/index.php?1sum 17/marzo/2010 68 ANEXO ENSAYO DE PENETRACIÓN Este ensayo se utiliza para la clasificación de los asfaltos. Este es un método antiguo y empírico que consiste en: Calentar un recipiente con cemento asfáltico hasta llevarlo a una temperatura de 25ºC (77ºF), en un baño de agua a temperatura controlada. Se apoya una aguja normalizada, de 100 gr. Sobre la superficie del cemento asfáltico durante 5 segundos. La medida de penetración es la longitud que la aguja penetró en el cemento asfáltico (unidades de medida 0.1mm). Existen casos excepcionales donde el ensayo de penetración se realiza para una temperatura distinta, con lo cual cambia el peso de la aguja y el tiempo de penetración. ENSAYO DE DUCTILIDAD La ductilidad se mide en un cemento asfáltico con un ensayo del tipo "de extensión". El ensayo consiste en: Se moldean probetas de asfalto en condiciones y medidas normadas. Se la lleva a la temperatura del ensayo (generalmente 25º C) Se separa una parte de la probeta de la otra a una velocidad de 5cm/min, hasta que se rompa el hilo de asfalto que une ambos extremos de la muestra. La ductilidad es la distancia en cm a la cual se rompe dicho hilo. 69 ENSAYO DE RECUPERACIÓN ELÁSTICA Este ensayo está basado en el ensayo de Ductilidad. En éste se emplea la misma técnica para la preparación de las muestras y el mismo equipo para realizar el ensayo. La muestra es estirada a una velocidad de 5 cm/min, hasta una distancia de 20 cm. El hilo se corta al medio y al cabo de 30 min. Se mide la recuperación elástica. Se expresa la recuperación elástica como un porcentaje de la deformación aplicada. El ensayo de acuerdo a las distintas especificaciones, puede realizarse a una temperatura de 7ºC, 13ºC y a 25ºC. Si la rotura del hilo se produce antes de los 20 cm, se tomará esta distancia para el cálculo de la recuperación elástica. ENSAYO DE HOMOGENEIDAD EN EL ALMACENAJE EN CALIENTE La especificación desarrollada por la Sociedad de Investigaciones Viales de Alemania. Incluye un ensayo que permite controlar la homogeneidad del asfalto modificado luego de un calentamiento prolongado, tratando de simular lo que ocurre en el almacenaje en obra, verificando que no haya separación del polímero del asfalto. El ensayo consiste en: Colocar la muestra de asfalto modificado en un recipiente de forma cilíndrica. El recipiente, con la muestra, es mantenido a 180ºC. Durante tres días. Al cabo del período se determina el punto de ablandamiento en el tercio superior y en el tercio inferior del contenido en el recipiente. La diferencia entre ambas determinaciones no debe ser superior a los 2ºC. 70 NORMAS Y REGLAMENTOS AASHTO (American Association of State Highway And Transportation  Officials) ASTM (American Society for Testing and Materials) AMAAC (Asociación Mexicana del Asfalto, A. C.) NORMATIVA SCT (Secretaria de Comunicaciones y Transportes ) NORMAS IMT (Instituto Mexicano del Transporte) NORMAS MEXICANAS PARA EL MANTENIMIENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CARRETERAS. 71 AGRADECIMIENTOS PARA PODER REALIZAR ESTE TRABAJO DE LA MEJOR MANERA POSIBLE FUE NECESARIO DEL APOYO DE MUCHAS PERSONAS A LAS CUALES QUIERO AGRADECER. EN PRIMER LUGAR A LA FAMILIA VAZQUEZ RUIZ QUIENES HAN SIDO UN APOYO MORAL, ECONOMICO E INCONDICIONAL PARA LOGRAR ESTE FIN, GRACIAS POR SU PACIENCIA Y POR SU CONFIANZA. A TI QUE AUNQUE YA NO ESTES AQUÍ, SIEMPRE ESTARAS Y SEGUIRAS PRESENTA EN CADA MOMENTO DE MI VIDA… TU QUE FUITE MI INSPIRACIÓN, MOTIVACIÓN Y SOBRE TODO MI EJEMPLO A SEGUIR, ESTE LOGRO ES PARA TI Y POR TI. A MIS MADRES QUE ME HAN DADO ESA FUERZA, VALOR Y AMOR PARA SEGUIR ADELANTE… GRACIAS. A TI NATHAN QUE NUNCA DEJASTE DE CREER EN MI, QUE SIEMPRE ESTUVISTE CONMIGO APOYANDOME Y ANIMANDOME A SER MEJOR, Y AGRADEZCO POR COMPARTIR TU EXISTENCIA CONMIGO, GRACIAS POR TU TIEMPO, ENTREGA Y DEDICACIÓN. A MIS AMIGOS QUE DE CIERTA FORMA SIEMPRE ESTUVIERON CONMIGO 72