EMULSIONES ASFÁLTICAS, EMULSIONES MODIFICADAS.

SU APLICACIÓN

Ing. César ÁlvarezIng. Raymundo Benítez

Quimikao

Ing. Ignacio CremadesSurfax

AsfaltoAsfalto

Introducción.

• El asfalto se ha sido utilizado por el hombre desde el inicio de la historia.

• Los sumerios inicialmente lo emplearon para impermeabilizar aljibes, los egipcios como agente momificante y para el calafateo de barcos.

• En la actualidad su principal uso es como cementante en la industria de la construcción de carreteras. Se obtiene por destilación del petróleo crudo en su gran mayoría aunque también se encuentra en forma natural. (Trinidad)

Uso del asfalto

• En 1802 se emplean por primera vez rocas asfálticas para la construcción de aceras, carreteras y pavimentos de puentes.

• El primer pavimento asfáltico se construye en Newark, N.Jersey en 1870.

• Actualmente el 96% de las carreteras pavimentadas están hechas con asfalto.

• Se utilizan entre 500,000 y 600,000 millones de toneladas de mezcla asfáltica

Uso del asfalto

• Se emplean en USA entre 30 y 35 millones de Tons. de Ligante Asfáltico.

• El valor de la Industria de la Pavimentación en USA se estima en 15,000 millones de dólares.

Consumo de asfalto en USA

005510101515202025253030

AñoAño19001900 19201920 19401940 19601960 19801980 20002000

Mill

ones

Mill

ones

Tons

Tons

Consumo de Asfalto en MéxicoVENTAS ASFALTO AC-20 NACIONAL

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

E F M A M J J A S O N D

TON

2002 2003 2004

Consumo de Asfalto

• 2002 1.360.115 Tons• 2003 1.423.893 Tons• 2004 1.580.000 Tons.• Nuestra industria del asfalto es

aproximadamente 20 veces menor que la de USA.

• El mantenimiento de carreteras aumenta en USA aprox. 5.5% anual en US$ desde 1970.

ACEITES LUBRICANTES

GAS

PETRÓLEO

ARENA Y AGUA

GASOLINA

KEROSENO

ASFALTOS

Origen del Asfalto.

• El asfalto se produce en las refinerías a partir del Petróleo crudo.

• La composición química del Crudo de los diferentes yacimientos varía a lo largo de los años.

• El Crudo de cada yacimiento tiene diferentes propiedades y características.

• Los Asfaltos representan entre el 3 y 4% del crudo procesado.

Origen del Asfalto.• Las refinerías se alimentan normalmente con

una mezcla de crudos• En México hay 5 refinerías que producen

asfalto con las siguientes capacidades instaladas.

• Cadereyta 15.000 Bpd• Madero 18.000 Bpd• Salamanca, 15.000 Bpd• Tula y Salina Cruz

¿Por qué se produce asfalto?

• Se requiere separarlo de los combustibles ligeros.

• Los catalizadores de conversión no toleran al asfalto. Se envenenan.

• Los asfaltos son necesarios para la Construcción de Pavimentos, para impermeabilizar techos..

Tipos de Refinerías

• Refinerías Integradas. Básicamente producen combustibles pesados, para transporte y calefacción y pequeñas cantidades de asfalto. Son refinerías grandes >100.000 Bpd

• Refinerías de Asfalto, producen principalmente asfalto con pequeñas cantidades de mezclas de combustibles pesados y petroquímicos. < 50.000 Bpd.

Tipos de Crudo

>39.0<0.83Súper-Ligero

31.1-39.00.87-0.83Ligero

22.3-31.10.92-0.87Mediano

10.0-22.31.0-0.92Pesado

<10.0>1Extra pesado

DENSIDADGrados API

DENSIDADG/cm3

CRUDO

Crudos para Asfalto1. Parafínico-Ligero.2. Parafínico-Nafténico.3. Nafténico. (Maya)4. Aromático.3 y 4 son los preferidos para producir asfalto, alto contenido de asfalto y bajo contenido de ceras.Crudos Amargos: Alto % de azufre.Dulces Ligeros: Menos asfalto, Más Combustible, Más costosos

Composición del Crudo• Parafinas Normales. Metano, etano…• Isoparafinas. Isobutano, Isopentano..• Olefinas. Etileno, propileno…• Naftenos. Ciclohexano, ciclopentano…• Aromáticos. Benceno, tolueno, antraceno…• Compuestos con S. Mercaptanos, sulfuros…• Comp. Con N. Pirrol, Indol, Piridina…• Comp. Con O. Alcoholes, éteres, ésteres..

Crudos empleados para Asfalto

• El Maya tiene un alto contenido de asfalto considerado de buena calidad.

• Normalmente las refinerías no procesan un solo crudo sino una mezcla de crudos.

• En América son buenos crudos para asfalto el Boscan de Venezuela, West Texas Intermediate, San Joaquín, Alaska de USA, Cold lake, Bow River, Lloydminster de Canadá. Árabe pesado.

Proceso de Refinación

• Extracción. El crudo extraído del subsuelo contiene agua, sales, lodos naturales y artificiales.

• Separación del agua y lodos mediante tanques de separación –sedimentación y agentes tensoactivos.

• Para prevenir la corrosión en los ductos % de agua < 2

LA PRODUCCIÓN DE ASFALTOS EN MÉXICO

ESQUEMA DE PRODUCCIÓN DE ASFALTO

LPG

Petróleo Crudo Turbosina

Residuo De Vacío

Gasolina

DESINTEGRACIÓN CATALÍTICA

Kerosina

DieselPropano-Propileno

Gasóleo Ligero De Vacío Butano-Butileno

Gasóleo Pesado De Vacío

Residuo Primario Gasolina Catalítica

DESTILACIÓN PRIMARIA

A.C.L.

A. Decantado

DESTILACIÓN ALTO VACÍO

4443

ASFALTOProporciones para la preparación de asfalto

90% Residuo De Vacío 10% G. Pesado De Vacío

A / TS y/o C / TS

Diagrama de Proceso

Horno350ºC

Horno350ºC

Petróleo crudo

± 65ºC

Destilación Atmosférica

Gas, metano, propano.

Gasolina

Queroseno

Gasóleo Ligero

Gasóleo Ligero de Vacío

Los gasóleos se emplean para el proceso de craking catalítico

Destilación a Vacío

Gasóleo Pesado de Vacío

BetúnCrudo reducido

Proceso de Refinación

• Desalinización. Se mezcla con agua caliente y se disuelven las sales. Separación agua-Crudo.

• Disminución de la viscosidad para poder bombearlo.

• Crudos con 8º API requieren de diesel para poder bombearlos.

Proceso de Refinación. Destilación Atmosférica

• Es el proceso más antiguo y común.• Calentamiento, separación por diferencia en

temp. de ebullición.• Calentamiento a 200-300ºC. Intercambiador

posteriormente hasta 400ºC en un horno para producir la vaporización.

• Proceso continuo.

Métodos de Producción. Destilación Directa

• Dependiendo del Crudo el resultado es un CA de Extracción Directa (SR) o Crudo Reducido

• Crudos Pesados como el Boscan y el Lloydminster dan CA SR.

• Se les pueden adicionar ligeros para dar las propiedades requeridas.

Métodos de ProducciónDestilación a Vacío

• El Crudo Reducido contiene Gasóleos, Aceites Lubricantes y Asfaltos que se degradarían al separarse en condiciones atmosféricas.

• La destilación a vacío permite reducir las temperaturas de destilación.

• En el proceso se adiciona vapor sobrecalentado para mantener la temperatura, aumentar la velocidad de adición y disminuir el craqueo

Métodos de ProducciónDestilación a Vacío

• El asfalto residual se puede ajustar a la consistencia deseada.

• La temperatura de proceso, la cantidad de vapor inyectado, la presión, la proporción de reflujo adoptada y el tiempo de residencia controlan el grado del producto.

• La pérdida de masa en los asfaltos se produce cuando en el segundo horno se craquea el residuo dando diesel ligero, el gasóleo después se añade al residuo para ajustarlo.

Métodos de Producción.Des-Asfaltado por Solventes.

• La separación se basa en la solubilidad de los diferentes componentes del crudo.

• Propano o mezclas Propano-Butano licuadas a 300-500 PSI (20-35 ATM) se introducen por el fondo de la torre.

• Se usa una proporción volumétrica Solvente-Alimentación de 4-6. La temperatura es de 50ºC y 95ºC.

Métodos de Producción.Des-Asfaltado por Solventes.

• Normalmente se lleva a cabo después de la destilación atmosférica sobre crudos con bajos contenidos de asfalto.

• Los asfaltos y resinas se sacan por el fondo y las parafinas por la parte superior.

• Los fondos se ajustan con materiales mas blandos para obtener CA.

Los asfaltos están compuestos por moléculas Los asfaltos están compuestos por moléculas orgánicas denominadas asfaltenos, naftenos,orgánicas denominadas asfaltenos, naftenos,maltenos, parafinas y aromáticos.maltenos, parafinas y aromáticos.

Durante la producción de mezclado en caliente se Durante la producción de mezclado en caliente se volatilizan componentes volátiles del tipo aceite volatilizan componentes volátiles del tipo aceite los cuales de permanecer en el C.A. , lo los cuales de permanecer en el C.A. , lo ablandarían evitando el endurecimiento de la ablandarían evitando el endurecimiento de la mezcla la cual la envejece y afecta su desempeño.mezcla la cual la envejece y afecta su desempeño.

SUB - BASE

BASE

El comportamiento Del flujo de un

AsfaltoPuede ser el

Mismo en 1 Hr a 60°C que en

10 hrs. a 25°C

deformación unitaria

frágilfrágil-dúctil

dúctil

Comportamiento del Asfaltoesfuerzo

Se he establecido en pruebas de campo (AASHTO) que el comportamiento de los ligantes asfálticos depende básicamente de la Temperatura y del Tiempo de carga.La susceptibilidad térmica puede medir a través del punto de ablandamiento.Alto punto de ablandamiento, indica alta resistencia a deformación permanente.

Altas temperaturas de servicio (>50°C): Problemas de Ahuellamiento (Rutting)

Bajas temperaturas de servicios (<50°C): Problemas relacionados con agrietamientos y pérdida de agregado (Ravelling).

PROBLEMAS DEL ASFALTO

T > 50°C T < 50°C

¿Por qué se deforma un pavimento?

Asfalto tiene propiedades “Newtonianas” ViscosasCargas pesadas deforman permanente el asfalto.

¿Por qué se agrieta un pavimento?

Vencimiento Rígido-ElásticoModelado como un resorte con exceso de cargaLa calle se estira en 1/3 de metro por cada 5°C de cambio en al temperatura

Subsuelo

Modelo de Deformación Causada por altas Temperaturas y Cargas Excesivas

Deformación causada por las altas Temperaturas

Deformación Vertical Permanente( Roderas o Ahuellamiento)

Principales causas que producen el ahuellamiento:

Pobre Mezcla de diseño.Exceso de asfalto en la mezcla.Pobre gradación del agregado.

Partículas redondas.Demasiados finos en la mezcla.

( esp. Arena de río)Insuficientes vacíos de aire.

Utilización de asfaltos blandos.

Agrietamiento por fatiga y temperaturas bajas

Subsuelo

Carpeta o Sobrecarpeta Asfáltica

Agrietamiento Causado por Fríos Extremosos

Agrietamiento

Fallas Superficiales

ASTMASTM--D946D946--9292Para MéxicoPara México

Clasificación por Penetración de C.A.AC-5 AC-10 AC-20 Y AC-30

Esta clasificación es en base deun rango de dureza del material

a 25°C

La viscosidad:

Es la característica que describe la resistencia de los líquidos a fluir

La fuerza resistente entre las capas de asfalto se debe a que estas fluyen a velocidades ligeramente diferentes.

La viscosidad es una característica que puede emplearse para expresar esta diferencia.

En los fluidos newtonianos hay una relación lineal entre la F.resist. vs Vel. Relativa.

El aire, el agua y el asfalto a altas T° (mas de 50°C) son fluidos newtonianos comunes.

Líquidos viscosos como el asfalto caliente son a veces llamados plásticos, porque una vez que comienza a fluir no regresan a su posición original.

Por eso en climas cálidos los pavimentos Asfálticos fluyen bajo cargas repetidas y forman ahuellamientos.

El ahuellamiento también depende de las propiedades de los agregados y es correcto decir que la Mezcla Asfáltica tiene un comportamiento plástico.

ASTM D 3381Clasificación por Viscosidad

1- Dos tablas para clasificar por viscosidad @ 60°C2-Una tabla de pruebas en el Residuo por la prueba

de Película delgadaViscosidad @ 60°C, PoissesViscosidad @135°C,min, CentistokesPenetración 25°C, 100 gr, 5 seg., min.Punto de FlamaSolubilidad en TricloroetilenoPruebas en el residuo del horno de película delgadaViscosidad @60°CDuctilidad @25°C, 5 cm/min,min,cm

Viscosimetro

AsfaltoModificado

Comportamiento de la mezcla asfáltica

Los asfaltos están compuestos por moléculasorgánicas, reaccionan con el oxígeno del medio ambiente.

Esta reacción se llama oxidación y cambia la estructura y composición de las moléculas de asfalto

Mezcla Asfáltica Densa

MALA

%vacíos mayor

que 12%

OPTIMA

% vacíos menor

que 5%

¿ Qué es un polímero?

Un polímero es un compuesto formado por adición sucesiva de unidades químicas ( Moléculas) denominadas monómeros.( Poli = muchos monómeros ligados).La repetición de unidades químicas (monómeros) son derivados típicos del procesamiento del petróleo.

Los polímeros mejoran el comportamiento

del asfalto en caminos debido al aumento de propiedades físicas, mejorando significativamente su resistencia al ahuellamiento y a la rotura por fatiga.

¿POR QUÉ MODIFICAR?

– CONDICIONES CLIMÁTICAS • Deformaciones permanentes.• Agrietamiento térmico• Envejecimiento prematuro del asfalto• Daños por humedad

– TRÁNSITO (Peso, intensidad, tiempo de carga)• Agrietamiento por fatiga• Deformaciones permanentes

Control de Calidad en el Laboratorio

5% AC 20 5% AC -20 modificado con 3% de Polímero

Comportamiento Elástico

AntesCarga

DuranteCarga

DespuesCarga

CargaTensión

DeformaciónElástica

AsfaltoAsfalto ModificadoModificado

El asfalto residual modificado debeconservar las características del asfaltobase modificado.

El asfalto base puede cumplir gradosPG (SUPERPAVE-EUA)

Problemas de los Asfaltos que pueden mejorarse con Polímeros:

Deformación por temperaturas de carpeta muy altas y cargas

Agrietamiento por Fatiga y por Temperaturas muy Bajas

Problemas de Afinidad Asfalto - PétreoAumentar la calidad del Asfalto

FactoresFactores para la para la correctacorrecta selecciónselección del del AsfaltoAsfalto base base modificadomodificado

• ¿Qué queremos mejorar ?• ¿Cuál modificador puede lograrlo ?• ¿Compatibilidad en el sistema final ?• ¿Se puede almacenar el asfalto o una emulsión

modificadas ?• ¿De qué manera afecta el modificador los

ensayos rutinarios ?• ¿Cuál es el efecto en el costo de vida útil ?

Consideremos que Necesitamos:

Generar una red contínua del polímero en el asfalto.

Red o Estructura estable en el tiempo y a variantes térmicas..

El El microscopiomicroscopioelectrónicoelectrónico ayudaayuda a a observarobservar la red la red polímericapolímerica

Lechada Asfáltica

¿ Comó determinar si está bien modificado el asfalto ?

• % Residuo Asfáltico

• % Polímero con Infrarrojo

• Propiedades Físicas: Penetración, ductibilidad, recuperación elastica.

•Rigidez o consistencia y elasticidad (DSR)

•Visualmente en un microscopio de alta resolución.

Polímeros mas usados

PlastómerosPlastómeros:Etilen-vinil acetato (EVA), polietileno, poliolefina, polisopreno, polipropileno,SB y SBS

Beneficio:Beneficio: Ayudan a reducir la deformación permanente y el agrietamiento por fatiga

Elastómeros:

Copolímeros de bloque de estireno butadieno (SB, SBS,) látex de estireno butadieno (SBR), Terpolímero, hulereciclado,látex natural.

BeneficioBeneficio:: Evita deformación permanente,agrietamiento porfatiga, agrietamiento por temperatura baja, Envejecimiento

C o p o l í m e r o s e n b l o q u e S B RC o p o l í m e r o s a l e a t o r i o s S B R

C o p o l í m e r o s l i n e a l S B S

B u t a d i e n o E s t i r e n o A g e n t e a c o p l a n t e

SHRPSHRPStrategicStrategic HighwayHighway ResearchResearch ProgramProgram

Programa Estratégico de Investigación de CarreterasPrograma Estratégico de Investigación de Carreteras1987 $50.000.0001987 $50.000.000

SuperpaveSuperpave

Sistema de Clasificación Basado en Clima

PG 64-22

Grado deRendimiento

Temp max promediode diseño

a 7 días (ºC)

Temp min de diseño del

pavimento (ºC))

Basada en DesempeñoEvita:

Deformación permanenteAgrietamiento por fatigaAgrietamiento por baja temperatura

Tabla de Especificaciones del Programa SHRP

Superpave

Performance GradeAverage 7 -day Maximun Pavement DesignTemperatura, °CMaximun Pavement Design Temperature, °C

Flash Point temp, T46:Minimum °C

Viscosity, ASTM D 4402: B.Maximun, 3 Po, m (9000=P), Test Temp, °C135

Mass Long, Maximun, %Dynam Shear , TP5:Ga / min delta ,Minimum, 2.20 kPaTest Temp @ 10rad / sec, °C

PAV Aging Temeprature,° CDynamic Sheer, TP5:G° min delta. Maximun,5000 kPa Test Temp @ 10 rad /sec, °C

25 22 19 16 13 10 7 25 22 19 16 13 28 25 22 19 16 34 31 28 25

Physical Hardening

Creep Stiffnessm TP1: F S Maximun, 300 MPs, m -value, Maximun, G.300 Test Temp, @ 60 sec, °C

0 -6 0 -18 -24 -30 -36 6 12 18 24 30 6 12 18 24 30 0 -6 -12 -18

Direct Tension, TP3: fVailure Strain, Maximun,1.0 % Test Temp @max/min, °C

0 -6 0 -18 -24 -30 -36 6 12 18 24 30 6 12 18 24 30 0 -6 -12 -18

70

100 (110)

REPORTE

AASHTO Performance Graded Binder Specification (MP1)

Pressure Aging Veggel Residuo (PPT)

90 100 100

Rolling Thin Film Ovea (T240) or Thin Ovea (T179) Revidew

1

52 58 62

230

52 58 62 70

Original Winder

> 52 > 58 > 64 > 70

> 10 > 28> 28 > 34 > 40> 22

PG64

> 16

PG70

> 16 > 22 > 28 > 34 > 40 > 22> 46

PG58PG52

> 18 > 22 > 28 > 34 > 40> 10 > 18

??¿PREGUNTAS?

??GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Ing. César Álvarez

Ing. Ignacio Cremades

Ing. Raymundo Benítez