Microsoft Word - DT23.doc

ISSN 0188-7114

EMULSIONES ASFALTICASRogelio Rodrguez Talavera Vctor Manuel Castao Meneses Miguel Martnez MadridDocumento Tcnico No. 23Sanfandila, Qro, 2001

SECRETARIA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTEEMULSIONES ASFALTICASRogelio Rodrguez Talavera Vctor Manuel Castao Meneses Miguel Martnez MadridDocumento Tcnico No. 23Sanfandila, Qro, 2001Este documento fue elaborado en la Coordinacin de Equipamiento para el Transporte del Instituto Mexicano del Transporte, Por Rogelio Rodrguez Talavera, Vctor Manuel Castao Meneses y Miguel Martnez Madrid.

Se cont con el apoyo de los laboratorios del Departamento de Fsica Aplicada y Tecnologa Avanzada del Instituto de Fsica de la U.N.A.M. y del Instituto Mexicano del Transporte.

III

IndiceResumenVII

AbstractIX

Resumen EjecutivoXI

1 Introduccin1

1.1Antecedentes Generales1

1.2Planteamiento del Problema2

1.3 Objetivo General2

2 Fundamentos3

2.1Descripcin del Asfalto Modificado con Hule3

2.1.1El asfalto3

2.1.2El Hule SBR (estireno butadieno)6

2.2El Compsito Asfalto-Hule7

2.3Ventajas del Sistema Asfalto-Hule para Carpetas Asflticas10

3 Emulsiones Asflticas15

3.1Las Emulsiones15

3.1.1Importancia del Tamao de Partcula en las Emulsiones17

3.1.2Los Emulsificantes18

3.1.3Estabilidad de las Emulsiones20

V

3.2Las Emulsiones Asflticas213.2.1Tipos de Emulsiones asflticas23

3.2.2Rompimiento de las Emulsiones Asflticas25

3.2.3Requisitos de Calidad para Emulsiones Asflticas26

3.2.4Clasificacin del Material Ptreo28

3.2.5Ventajas de las Emulsiones Asflticas29

3.2.6Recomendaciones para el uso de Emulsions Asflticas30

3.2.7Uso de las Emulsiones Asflticas31

3.2.8Especificaciones de las Emulsiones Asflticas32

3.3Emulsiones de Asfaltos Modificados34

3.3.1Fabricacin de Emulsiones Asflticas35

4 Conclusiones37

5 Referencias39

VI

ResumenEn este trabajo se pretende hacer una revisin actual sobre las caractersticas ms importantes que afectan la fabricacin de emulsiones asflticas en agua, debido a las enormes ventajas que tienen las emulsiones asflticas. Adems de no requerirse de la aplicacin de calor para aplicar el asfalto en fundido, se logra una mejor adhesin entre el asfalto y el substrato ptreo cuando se usan emulsiones catinicas. Esto simplifica grandemente el equipo necesario utilizado para la aplicacin del asfalto. Adicionalmente, la reparacin de carreteras (bacheo) es tambin simplificada enormemente an en condiciones climticas adversas (lluvia, calor, etc.).

VII

AbstractIn this work, the main features related with asphaltic emulsions are reported. An important effort has been devoted to study the main characteristics that control the performance of these emulsions, due mainly to the great advantages this has over the melted asphalt. The fact that the asphaltic emulsion is applied at room temperature, produces an enormous economy in the fabrication an repair of asphaltic roads. Additionally, a better adhesion between the asphalt and the petreous material, which is the substrate for the asphalt, is obtained.

IXResumen EjecutivoLas variables que controlan la produccin de una emulsin asfltica. Estas tienen que ser tomadas en cuenta para que la emulsin sea estable y del tamao de partcula apropiado; adicionalmente, el tipo de agente emulsificante es portante: generalmente se utilizan emulsiones catinicas en los sistemas asflticos, lo cual produce una buena adhesin qumica entre el sistema asfltico sustrato ptreo. Esto es importante para el buen desempeo del asfalto.

Lasemulsionesasflticashanvenidoasimplificarsignificativamenteel procedimiento de asfaltado de carreteras, ya que se aplican en fro, lo cual presenta un ahorro considerable, no nada ms en la energa requerida para fundir el asfalto, sino en la maquinaria que se requiere para hacer el fundido in situ.

Adicionalmente, en el caso del asfalto caliente, ste no se puede aplicar en condiciones climticas adversas como lluvia, alta humedad, etc., pero las emulsiones asflticas no tienen ese problema, ya que el medio en el cual viene el asfalto es precisamente agua. Este es un factor importante, ya que elimina los posibles retrasos en la construccin de carreteras por mal tiempo.

Otra de las razones por las cuales las emulsiones asflticas estn siendo usadas ampliamente en la actualidad, es que 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 rpido, lento e intermedio. Esto permite tener un amplio control en el uso de las emulsiones para IS diferentes tipos de aplicacin.

Debido a la importancia que tienen actualmente las emulsiones asflticas, en este trabajo se pretende hacer una revisin del estado sobre emulsiones asflticas, haciendo nfasis en las caractersticas ms importantes que afectan la fabricacin de estas emulsiones asflticas. Se pretende que este estudio permita que en Mxico se comience a producir, en grandes volmenes, emulsiones asflticas con rompimiento controlado usando tanto asfalto no modificado, como asfalto modificado con hule.

XI

1 Introduccin1.1Antecedentes GeneralesEn las ltimas dos dcadas, mucho esfuerzo cientfico y tecnolgico se ha dedicado al desarrollo de materiales asflticos para la construccin de carreteras, ya que las especificaciones de stas son cada da ms estrictas. La tecnologa en materia asfltica se ha enfocado al desarrollo de carpetas asflticas con mayor duracin, con menor huella al paso de vehculos, mayor repelencia al agua (alta hidrofobicidad), mayor resistencia a la radiacin ultravioleta, mayor resistencia a la lluvia, mayor agarre con la llanta, mejor adhesin entre el asfalto y el material ptreo, mayor facilidad para la reparacin de baches, reparacin de baches a baja temperatura, etc. Todas estas condiciones impuestas al asfalto (ya sea modificado o no) dan como resultado una intensa investigacin en este campo desarrollando nuevos materiales asflticos, as como nuevas formas en las cuales el asfalto modificado puede ser aplicado al substrato ptreo.

El asfalto modificado se ha convertido ltimamente en la mejor opcin para la fabricacin de carpetas asflticas de alto desempeo. Se sabe que para este tipo de aplicacin los niveles de concentracin del polmero son relativamente bajos: del 2 al 3% cuando se usa SBS (estireno-butadieno-estireno), y del 4 a 8% cuando se usan poli-olefinas amorfas del tipo APP (polipropileno amorfo). El problema que se presenta es que para estos bajos niveles de concentracin el polmero puede separarse del asfalto por falta de estabilizacin. Esta separacin surge debido a la diferencia en densidades entre el asfalto y el polmero.

Para aplicaciones que involucran impermeabilizantes y selladores, el sistema asfalto- polmero exhibe niveles intermedios de concentracin de modificador: del

7 al 15% para SBS y del 18 al 30% para APP. En estos casos el problema fundamental es controlar la compatibilidad asfalto-polmero para conseguir la morfologa requerida del compsito y conservar las propiedades del sistema. Es importante decir que esta morfologa no siempre se obtiene de manera uniforme en todo el sistema, debido precisamente a la compatibilidad de las especies, por lo que se hace necesario, en algunas ocasiones, el empleo de un agente de compatibilizacin que lo normalice.

1

1.2Planteamiento del ProblemaComosemencionanteriormente,unadelaslneasimportantesde investigacin en materiales asflticos consiste en disear un sistema que permita una fcil aplicacin del asfalto, sobre todo del asfalto modificado con hule, adems de lograr una mejor adhesin entre el asfalto (modificado o no) y el material ptreo que sirve de substrato para el asfalto. Es en esta lnea de investigacin en donde se enmarca este trabajo: el estudio de las caractersticas importantes para la produccin de las emulsiones asflticas que presenten una fcil aplicacin y una mejor adhesin con el material ptreo el cual sirve de substrato.

Una forma de atacar este problema es mediante el uso de las llamadas emulsiones asflticas. Este tema de las emulsiones asflticas ha cobrado mucho inters en los ltimos aos debido a las ventajas que tiene este tipo de emulsiones para resolver los problemas anteriormente planteados, ya que permite la aplicacin de los asfaltos (modificados o no) sobre el substrato ptreo a bajas temperaturas, con un control amplio en el tiempo de rompimiento de la emulsin.

Las primeras emulsiones asflticas en salir al mercado fueron aquellas que slo contenan asfalto puro, o sea asfalto sin modificar con hule. Estas emulsiones presentan ventajas importantes sobre el uso de asfalto puro usado en fundido (en caliente), siendo la principal la baja temperatura de aplicacin, ya que se aplican a temperatura ambiente no requiriendo de calor para fundir el asfalto antes de aplicarlo.

1.3Objetivo GeneralEl objetivo de este trabajo es el estudio de las caractersticas importantes para la produccin de las emulsiones asflticas en agua que presenten una fcil aplicacin y una mejor adhesin con el material ptreo que sirve de substrato.

2

2 Fundamentos2.1 Descripcin del Asfalto Modificado con HuleDescribiremos brevemente las propiedades tanto del material compuesto asfalto-polmero, como de los materiales constituyentes: el asfalto y el polmero. Esto tiene como propsito el hacer nfasis en los requerimientos que tiene que cumplir la emulsin asfltica para que el sistema, una vez aplicado, tenga un buen desempeo.

2.1.1 El AsfaltoComo ya mencionamos anteriormente, el asfalto es un material de los llamados termoplsticos, el cual es muy complejo desde el punto de vista qumico ya que es obtenido como el residuo en el proceso de refinacin del petrleo crudo. Esto hace que el control de calidad de este material sea pobre, adems de que sea una mezcla muy compleja de estructuras qumicas complicadas. Sin embargo, este es un material de suma importancia para la industria de la construccin por sus propiedades de consistencia, adhesividad, impermeabilidad y durabilidad, y sobre todo por el bajo costo ya que, como mencionamos, es el residuo en el proceso de refinacin del petrleo.

El asfalto tiene varios nombres como: asfalto o bitumen, nafta-betunes, betn, cemento asfltico, chapopote. Este producto fue conocido alrededor del ao 2500 a. C. en Egipto, aunque en esa poca no se usaba en la construccin de caminos.

El asfalto tiene una gran variedad de aplicaciones; las que podemos mencionar: carpetas asflticas, adhesivos, sellantes, impermeabilizantes, mastiques, etc. Los volmenes de uso del asfalto son muy grandes, sobre todo en lo referente a la fabricacin de carpetas asflticas en donde es, sin duda, el material ms importante. El amplio uso del asfalto en la construccin de carreteras es debido, en gran medida, a su bajo costo y a sus propiedades de hidrofobicidad y una relativa resistencia al intemperismo.

3

Como se ha mencionado en reportes anteriores, el asfalto puede ser descrito como una mezcla compleja de hidrocarburos, por lo que su anlisis qumico se reporta en trminos de dos fracciones principales; la primera se refiere a la fraccin pesada, denominada asfaltenos cuyo peso molecular se encuentra entre

4000 y 7000, y la fraccin ligera denominada como maltenos con pesos moleculares de 700 a 4000. A su vez la parte maltnica puede subdividirse en tres fracciones

principalessiendostaslassiguientes:parafinasconpesos moleculares de 600 a 1000, resinas de 1000 a 2000 y aceites aromticos de 2000 a 4000. Los constituyentes del asfalto interactan entre s formando un fluido complejo,elcualexhibeuncomplicado comportamientoviscoelstico.El comportamiento del asfalto depende de su composicin qumica, la cual depende a su vez de la fuente de procedencia y del proceso de refinacin.

El asfalto es un material anisotrpico, discontinuo e inhomogneo; este material es considerado como un material coloidal, formado por micelas de tamaos cercanos a la micra (fase asfaltnica), las cuales estn suspendidas en una fase aceitosa de alta viscosidad (fase maltnica).

La micro-estructura del asfalto queda definida por la cantidad de micelas (o sea la fraccin de asfaltenos respecto a los maltenos), la distribucin de tamaos de las partculas que forman la fase discreta y por las interacciones fsicas y qumicas entre ellas. Estas interacciones son las responsables de que el asfalto forme una red tridimensional ms o menos desarrollada, la cual determina tanto su naturaleza elstica como viscosa.

El asfalto es muy susceptible a los cambios de temperatura y sufre envejecimiento por intemperismo para largos tiempos de exposicin; es tambin afectado por la oxidacin y la foto-degradacin. Respecto a sus propiedades mecnicas stas son muy pobres ya que es quebradizo a bajas temperaturas y fluye a temperaturas un poco arriba de la temperatura ambiente; tiene adems una baja recuperacin elstica. Todos estos factores limitan ampliamente su rango de utilidad.

Por estas razones este material tiene que ser aditivado o modificado para mejorar substancialmente sus propiedades. Una de las formas de mejorar las propiedades del asfalto es oxidndolo, ya que este procedimiento aumenta su peso molecular y su viscosidad, reduciendo sus propiedades de flujo; sin embargo, estudios diversos han mostrado que la modificacin con polmero es preferible si se quieren mejorarsubstancialmentesuspropiedades mecnicas,

enespecialsu recuperacinelstica,aunque

elcostodeesteprocedimientoes considerablemente mayor.

4

La modificacin del asfalto con hule se lleva a cabo aadindole a ste, a una temperatura alta (entre 180 y 200 C) y con altos esfuerzos de corte, polmeros elastomricos, o sea del tipo huloso (con una Tg baja). Los polmeros ms ampliamente usados para este propsito son los copolmeros de poliestireno- polibutadieno, ya que polmeros con esta morfologa permiten formar una red o malla tridimensional en el interior del asfalto para darle a ste buenas propiedades mecnicas. Esta malla de hule llena de asfalto, absorber gran parte de la energa de deformacin que sufre el material al ser sujeto a esfuerzos externos, como cuando se usa en la fabricacin de carpetas asflticas.

Esta red polimrica tridimensional llena de asfalto, parcialmente hinchada por los ligeros del asfalto, proporciona al compsito una mayor temperatura de servicio y tambin incrementa el intervalo de esfuerzos a que este material compuesto puede ser sujeto. Este mejoramiento no es obtenido cuando el asfalto es simplemente oxidado, ya que solo se vuelve ms duro, o sea, aumenta el contenido de pesados (asfaltenos).

Las caractersticas fsicas resultantes del compsito obtenido a partir de una mezcla asfalto-polmero dependen del tipo de asfalto, de la cantidad y tipo de polmero, de la compatibilidad entre los constituyentes, del proceso de mezclado y de las historias trmicas de los materiales. Para asfaltos usados con polmeros, es conveniente que stos tengan bajos contenidos de asfaltenos (fase pesada) y deben poseer suficiente cantidad de aceites aromticos para disolver al polmero a las temperaturas de mezclado y obtener la morfologa apropiada para la aplicacin particular.

Los asfaltos oxidados son poco recomendados para ser usados en carpetas asflticas, ya que poseen contenidos altos de asfaltenos debido a la oxidacin de las resinas y aceites que se convierten en asfaltenos. Generalmente se pueden distinguir dos tipos de mezclas asfalto-polmero: una consiste en un mezclado mecnico en donde la estructura de la red est formada por uniones fsicas (geles fsicos) y otra que involucra una reaccin qumica entre los componentes y por lo tanto la red esta formada por uniones qumicas (geles qumicos).

5

Para que se logre la morfologa apropiada, o sea aquella en la cual se tenga una red tri-dimensional de polmero rellena de asfalto, el polmero debe tener cierto grado de compatibilidad con el asfalto, de tal forma que no ocurra una completa separacin de fases ni una completa disolucin de un medio en el otro, ya que en este caso las propiedades del sistema asfalto-hule no son mejoradas; esta compatibilidad parcial se logra mediante la disolucin parcial del polmero por los aceites maltnicos del asfalto.

Para extender el rango de aplicaciones del asfalto, es necesario conocer la manera en que el polmero est interactuando con l. Una de las formas de conocer el grado de compatibilidad entre estos dos materiales es visualizando la micro-estructura del compsito; asimismo, otra forma de inferir esta compatibilidad esatravsdelasrespuestastrmicasdelsistema(determinandoel comportamiento de la Tg) o las viscoelsticas (determinando el comportamiento de Tan ) del material compuesto.

2.1.2 El Hule SBR (estireno-butadieno)En esta seccin describiremos brevemente el tipo ms comn de hule SBR usado para la modificacin de asfalto y que ha dado muy buenos resultados en la fabricacin de carpetas asflticas.

El tipo de polmero ms comnmente usado para la modificacin del asfalto es un hule SBS de estireno-butadieno radial de alto peso molecular. Uno de los productores internacionales de este tipo de polmero es Dynasol y corresponde al tipo Solprene 411. Este copolmero es de cadena radial en forma de estrella de cuatro brazos en donde la parte butadinica se localiza en el centro, mientras que la parte estirnica en el exterior. En este hule el 30 % corresponde a la fase estirnica y el resto a la parte butadinica. La proporcin de tetra-acoplado es mayor del 80 %, siendo el resto tri-acoplado y cadena lineal.

Como es sabido, el primer paso para el diseo de un material polimrico de alta ingeniera es siempre establecer la relacin que existe entre la estructura del material y sus propiedades finales. Cmo conseguir una determinada estructura para optimizar el material es el segundo paso. Actualmente muchos de los materiales polimricos de alta ingeniera son fabricados mediante mezclas de polmeros ya conocidos, los cuales poseen estructuras bien definidas. Sin embargo, en estas mezclas la compatibilidad entre las fases debe de estar bien controlada para producir la morfologa deseada. Estas mezclas de polmeros con morfologas controladas son conocidas como compsitos o materiales compuestos

6

Este tipo de materiales, los materiales compuestos o compsitos, tienen la caracterstica de que uno de los ingredientes entra en pequea proporcin y se le denomina el material modificador, mientras que el otro constituyente es el material que se quiere modificar, y puede formar la fase continua o puede estar formando la fase discreta. Los materiales compuestos pueden estar constituidos por dos o ms materiales diferentes, los cuales forman regiones lo suficientemente grandes para ser consideradas como continuas; estas regiones deben de estar fuertemente unidas en sus interfases para que el compsito tenga un buen desempeo.

Los materiales compuestos no son, de ninguna manera nuevos en la naturaleza, ni an dentro de los materiales sintticos producidos por el hombre. Muchos materiales naturales y artificiales tienen estas caractersticas, entre ellos estn: concreto, madera, hueso arcillas porosas, y recientemente los plsticos reforzados (como por ejemplo los HIPS), los polmeros con carga, los compsitos fibrosos, la celulosa, los agregados policristalinos, el asfalto modificado con hule, etc.

2.2 El Compsito Asfalto-HuleLos materiales asflticos son ampliamente usados en la fabricacin de carreteras y, a pesar de que su tiempo de vida no es grande, son suficientes para fabricar mezclas capaces de resistir la accin conjunta del trfico y de los agentes ambientales. Sin embargo, en algunos casos en que las mezclas asflticas estn sometidas a condiciones muy drsticas debidas al trfico, a la orografa del tramo carretero, a severas condiciones climticas, etc., se deterioran muy rpidamente y aparecen roderas, disgregaciones, fisuras por fatiga, etc.

Debido a esto hay que recurrir al empleo de mezclas asflticas especiales con mejorescaractersticas.Enalgunoscasos,comoporejemploenlas deformaciones plsticas, se pueden resolver los problemas utilizando agregados con mejor forma, con granulometra, con mayor rozamiento interno, empleando asfaltos ms duros, reduciendo el contenido de asfalto, etc.

7

Hay que tener en cuenta que generalmente ello va en detrimento de otras propiedades, como pueden ser la flexibilidad y la resistencia a la fatiga. En aquellos casos en que no sea posible corregir el problema cambiando los parmetros de formulacin, hay que recurrir al empleo de agentes modificantes los cuales posean mejores propiedades en todo el intervalo de temperaturas de servicio y con una menor susceptibilidad a la temperatura.

En la actualidad existen numerosos aditivos o agentes modificadores que se incorporan a los asfaltos para mejorar alguna de sus propiedades, entre los que destacan:

Los activantes: Se emplean para mejorar la adhesividad del asfalto con el material ptreo. Para agregados silceos o cidos, en general, se utilizan bases orgnicas o nitrogenadas; si son de tipo calcreo y el asfalto tiene un valor cido bajo, se recurre a cidos grasos.

Los asfaltos naturales: Disminuyen la susceptibilidad trmica y aumentan la cohesin del asfalto. Los principales tipos utilizados son el asfalto de Trinidad y la glinsonita.

Las fibras naturales o sintticas: Interaccionan fsicamente con el asfalto aumentando fundamentalmente la resistencia a la traccin y flexin. Se han empleado amiato, vinlicas,acrlicas, etc. Se aaden mediante dispositivos de reparto en el momento de puesta en obra y crean una especie de malla que se entrelaza con el asfalto y los agregados.

Los alquitranes: Buscan aumentar la adhesividad del asfalto aadiendo alquitrn y disminuir la susceptibilidad trmica y el rpido envejecimiento. Son productos bituminosos semislidos o lquidos que resultan de la reconstruccin del residuo que se obtiene de la destilacin del carbndelahulla.Danbuenosresultadosentratamientos superficiales y anticarburantes, por su resistencia a los disolventes derivados del petrleo.

Ltex Polimricos: Son elastmeros que se comercializan en forma de emulsiones yaseacatinicoso aninicos;sonfcilmente misciblescon emulsiones de ambos tipos. La mezcla de ltex y emulsin produce, al romperse la emulsin, un asfalto-caucho. Se han empleado con xito en la fabricacin de mezclas asflticas densas o drenantes, lechadas

asflticas,tratamientos

superficialesyriegos

de taponamiento.

8

Los materiales polimricos: Mejoran las propiedades mecnicas y reolgicas, disminuyen la susceptibilidad trmica y los tiempos de aplicacin de carga, aumentan la resistencia a la deformacin permanente y a la rotura en un campo ms amplio de temperaturas, tensiones y tiempos de carga, mejoran la adhesividad de los agregados. Los tipos utilizados son los termo-fijos (resinas epxicas, poliuretanos, polisteres) y los termoplsticos como el cloruro de polivinilo (PVC), polietileno y poli-isobutilenos, SBR (hule estireno- butadieno), EVA (etileno-acetato de vinilo) y SBS (estireno-butadieno-estireno), hule natural y artificial. Estos tambin pueden utilizarse en combinaciones especiales que tienen la caracterstica de ser tratamientos muy especficos y costosos: alquitrn- vinilo, alquitrn-epoxi, asfalto-epoxi y alquitrn-poliuretano.

Los resultados de algunas investigaciones industriales en este tipo de compsito, indican que los polmeros ms compatibles con asfaltos son aquellos con parmetros de solubilidad en el rango de 7.6 a 8.6. Polmeros tpicos que se encuentran en los valores antes indicados son los polibutadienos lineales, los poli- isoprenos, los copolmeros de butadieno y estireno lineales y ramificados y el hule natural. Polmeros con parmetros de solubilidad cerca de 7.6 se disuelven en caliente en asfaltos con alto contenido de parafinas (saturados). Polmeros con parmetros cerca de 8.6 requieren altos contenidos de aceites aromticos.

La modificacin del asfalto con polmeros lineales produce altas viscosidades an a altas temperaturas, pero es ms difcil de que se produzcan estructuras reticuladas, que son las ms apropiadas para darle al asfalto un buen mdulo elsticoyunabuenarecuperacinelstica.Polmerosentrecruzadoso vulcanizados qumicamente (geles qumicos), modificaran la viscosidad y las propiedades elsticas y cohesivas, pero seran prcticamente imposibles de disolver.

Algunos plsticos y hules de desperdicio tambin se han usado para modificar asfaltos, pero ms bien han servido como cargas, no tanto como generadores de la adecuada morfologa requerida para que el compsito tenga un buen desempeo. Sin embargo, es posible que en un futuro cercano sea posible usar hule de llanta (ya reticulado) para conferirle al asfalto buenas propiedades mecnicas. Esto reducira considerablemente los costos ya que el hule de llanta es un material de desecho que produce bastante contaminacin. En este caso, adems de mejorar significativamente al asfalto, habra una ganancia ecolgica al re-utilizar las llantas ya usadas.

9

Es sabido que los copolmeros en bloque de polibutadieno-poliestireno, son probablemente, los materiales que mejor actan como agentes modificantes del asfalto. Los copolmeros en bloque poseen los requerimientos estructurales ptimos para modificar efectivamente al asfalto; la caracterstica primordial que deben poseer es que faciliten la formacin de estructuras reticuladas o redes, las cuales son requeridas para el buen desempeo del compsito. Debido a esto, los termoplsticos elastomricos radiales son los que actualmente funcionan mejor como modificadores del asfalto, y dentro de estos estn los copolmeros de butadieno y estireno radial, que tienen una adecuada compatibilidad con el asfalto. Sin embargo, el problema con los copolmeros radiales (como el 411 producido por Dynasol) es su alto costo.

2.3 Ventajas del Sistema Asfalto-Hule para Carpetas AsflticasEn esta seccin analizaremos brevemente cules son las principales ventajas que se obtienen cuando se modifica el asfalto con hule del tipo SBS.

Cuando un material asfltico es modificado con hule SBS:

1) Se mejora su recuperacin elstica cuando es sujeto a altas cargas y cargas lentas.

2) Aumenta su resistencia a deformaciones permanentes debidas a altas temperaturas, altas cargas y cargas lentas.

3) Se mejora la resistencia a la fractura permanente ocasionada por bajas temperaturas y/o por cambios bruscos en las cargas aplicadas, ya que una falta de flexibilidad da lugar a las fracturas permanentes.

4)Mejora considerablemente su resistencia a la fatiga.5)Mejora su desempeo.6)No se reblandece a altas temperaturas.

7)No se fractura a bajas temperaturas.

8)Proporciona mayor seguridad en las autopistas.

9)Reduce la formacin de roderas.10)Reduce significativamente los costos de mantenimiento.11)Reduce el ruido haciendo las autopistas ms silenciosas.10

Las deformaciones permanentes generalmente se presentan en:

- zonas de clima clidos

- zonas de trnsito pesado

- zonas de estacionamiento (bajas frecuencias)

Las fracturas permanentes generalmente se presentan en:

- zonas de climas glidos

- zonas con cargas aplicadas rpidamente (altas frecuencias)

Una pregunta que hay que hacerse es cundo es conveniente modificar el asfalto con hule?. La respuesta est en el tipo de aplicacin especfica del asfalto, del dinero disponible y del tiempo en el que la inversin quiere ser recuperada. Podemos decir que es conveniente modificar asfalto con hule

- cuando el tiempo de recuperacin de la inversin es importante

- cuando se requiere de carreteras de altas especificaciones

- cuando se requiere de carreteras de alto desempeo

- cuando se requiere reducir el gasto de mantenimiento

- cuando existen temperaturas extremas

- cuando existen condiciones de trfico intenso

Entre las causas principales del deterioro de las carpetas asflticas estn:

-el Clima

-la Carga

-el Envejecimiento

11

Figura 1Reduccin de costos y su relacin con durabilidad en la AutopistaCuernavaca - AcapulcoEn la Figura 1 es posible observar cmo se reducen los costos de mantenimiento de la autopista por kilmetro como funcin del incremento en la durabilidad, para un asfalto normal y para uno modificado con 4% y 8% de polmero SBS.

Cuando el asfalto no es modificado, a los 4,000 ciclos la profundidad de la huella dejada por la rueda es ya de 20 mm, mientras que para este mismo nmero de ciclos, la huella dejada en el asfalto modificado es de slo 2 mm, o sea, hay un factor de 10 en la reduccin en la profundidad de la huella de la rueda cuando se modifica el asfalto con hule SBS. Obviamente el asfalto no-modificado no soporta ms de los 4,000 ciclos, mientras que el asfalto modificado fue probado hasta los

20,000 ciclos alcanzando, bajo estas condiciones, una profundidad de huella de 14 mm. Estas pruebas fueron realizadas en la autopista Cuernavaca-Acapulco. Esta informacin fue proporcionada por el Centro de Investigacin y Desarrollo (CID) del grupo Industrial de Resistol.

12

Esta prueba de profundidad de huella o Wheel Track, muestra las grandes ventajas que tiene modificar el asfalto con hule para uso en pavimentos. El asfalto modificado es ms resistente a los esfuerzos producidos por los vehculos y al dao ocasionado por el agua y la temperatura. Cuando el asfalto no es modificado con polmero, ste se daa con mayor facilidad y en menor tiempo, sobre todo en clima caliente y/o con trfico intenso.

En la Figura 2 es posible observar cmo depende la profundidad en la impresin dejada por la rueda (wheel track) como funcin del nmero de ciclos.

FIGURA 2Profundidad de la huella en funcin del nmero de ciclos AutopistaCuernavaca - Acapulco13

En la figura 3 se muestra tambin una prueba de desgaste para asfalto no modificado y asfalto modificado.

FIGURA 3Profundidad de la huella en funcin de los ejes equivalentes (8.2 Ton/eje)14

3.1 Las EmulsionesPodemos definir una emulsin como una dispersin fina ms o menos estabilizada de un lquido en otro, los cuales son no miscibles entre s y estn 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). Esto puede apreciarse en la Figura 4, en donde se muestra un dibujo esquemtico de una emulsin.

Fase Discreta o DispersaFase Continua o DispersanteFIGURA 4Diagrama esquemtico de una emulsin15

Generalmente el tamao de la fase discreta tiene alguna dimensin lineal entre 1 nanmetro y 1 micra. Son estos tamaos tan pequeos los que le dan a las emulsiones sus importantes e interesantes propiedades. La ciencia que trata con las emulsiones es multidiciplinaria, ya que involucra fsica, qumica, biologa, etc.

Existen varios tipos de dispersiones de partculas de diferentes tamaos en diferentes tipos de medios; entre estas dispersiones se encuentran las emulsiones, las cuales son dispersiones de un lquido en otro. En la siguiente Tabla se muestran los diferentes tipos de suspensiones que existen:

TABLA IDiferentes Tipos de SuspensionesFaseContinuaFaseDiscretaSistema

GasLquidoAerosoles, Niebla, Roco

GasSlidoSmoke, Aerosol

LquidoGasEspuma

LquidoLquidoEmulsin, Solucin Coloidal

LquidoSlidoSol, Solucin Coloidal, Gel, Suspensin

SlidoGasEspumas Slidas (piedra poma), Zeolitas

SlidoLquidoGel, Emulsin Slida

SlidoSlidoAleacin

Lo importante de las emulsiones no es la composicin qumica de la muestra (ya sea orgnica o inorgnica), ni su origen (mineral o biolgico), ni su estado fsico (una fase o ms); es su tamao la caracterstica importante. Consecuentemente, podemos decir que a la ciencia de las emulsiones le interesan las molculas grandes y los sistemas macroscpicos subdivididos muy finamente, ya sea mono- o multi-fsicos.

16

Las reas de aplicacin de las emulsiones son:

En Fsica:Nucleacin,metalurgia,aleaciones,cermicas,cementos, polmeros, filtros, aerosoles, espumas, electroforsis, tratamiento de aguas, purificacin de agua, recuperacin de petrleo, etc.

En Qumica: Fenmenos de absorcin, intercambio inico, cromatografa GPC, nefelometra, smosis, catlisis, detergentes y jabones, pinturas, adhesivos, tintas, emulsificantes, colorantes, papel, lubricantes, recubrimientos, pigmentos, espesantes, etc.

EnBiologa:Micro-encapsulacin,virus,protenas,cidosnuclicos, hematologa,alimentos, cosmticos, saborizantes, etc.

Podemos mencionar que existen dos tipos de emulsiones:

-Emulsiones formadas por macromolculas en solucin (sistemas de una fase)

-Emulsiones formadas por materia finamente dividida (sistema de 2 o ms fases)

Las emulsiones las podemos dividir en:

-Lioflicas: si a la partcula le gusta el solvente

-Liofbicas; si a la partcula no le gusta el solvente.

Si el medio es agua, entonces:

-Lioflico = Hidroflico y Liofbico = Hidrofbico.

Las emulsiones lioflicas son verdaderas soluciones (desde el punto de vista termodinmico), por lo que no es fcil hablar de la superficie de la emulsin. Por el contrario, para emulsiones liofbicas, debido a la diferencia de fases entre las partculas en la emulsin y el medio donde se encuentran dispersas, no existe ningn problema para definir la superficie de la emulsin. Por lo tanto, el concepto de superficie slo es aplicable a sistemas multifsicos.

3.1.1 Importancia del Tamao de Partcula en las EmulsionesLa ciencia de las emulsiones requiere un captulo especial, ya que este tipo de sistemas no est en el dominio microscpico (del orden de 1 ), ni en el dominio macroscpico (del orden de 100 micras). Ellas se encuentran en un nivel de descripcin intermedio llamado mesoscpico.

17

Cuando subdividimos un trozo de material, el rea total de las partes es mayor que el rea original. Esto es debido a que, como el volumen va como R3, al dividir el radio, por ejemplo a la mitad, el volumen se reduce por un factor de 8 y como la masa es proporcional al volumen, el nmero de esferas se incrementa por un factor tambin de 8. Por otro lado, como el rea va como R2, al dividir l radio a la mitad, el rea de cada esfera pequea se reduce por un factor de 4, pero como el nmero de partculas se incrementa por un factor de 8, entonces hay un aumento neto del rea total por un factor de 2.

1 n

RDespus de efectuar n subdivisiones, el radio inicial R0 se reduce a

2 0 ,mientras que el nmero de esferas se incrementa a 8 n N 0 , el volumen de cada

1 nV 0

1 n A 0partcula pequea es

8

, el rea de cada partcula pequea es

4 y por lo tanto al rea total sufre un incremento neto a 2 n A total .

El rea especfica de una partcula se define como el cociente entre el rea superficial de la partcula y su masa, i.e.

A sp A totalm total

n4R 2

n 4 R 33

3

Rsiendo la densidad de la partcula; por lo tanto, el rea juega un papel cuya importancia aumenta conforme disminuye R.

3.1.2 Los EmulsificantesLos emulsificantes son compuestos orgnicos de peso molecular relativamente elevado (entre 100 y 300); tienen una parte hidrofbica (generalmente es una cadena hidrocarbonada ya sea lineal o cclica) que es soluble en el medio orgnico (en nuestro caso en el asfalto) y una parte hidroflica (generalmente es un grupo polar de tipo orgnico o inorgnico), soluble en el medio acuoso.

18

Los emulsificantes estn compuestos generalmente por un radical alkilo R el cual es hidrofbico y un componente hidroflico, que se encuentran saponificados y con el contacto con el agua se disocian, quedando con cargas negativas o positivas segn el tipo de emulsificante. En la figura 5 se muestra una representacin pictrica de la emulsin aninica y la catinica.

Emulsin Aninica Emulsin Catinica- - - - -

+ + + + +- - - - -

- + + + + + + +-- - - -

- - -- -- - --

- - -- -

++ + ++

+ ++ ++ + +

+ ++ + +- - --

- - - - --

- - -

- - -

- - -

+ + + ++ + + +

+ ++ + + + ++-- -- - -- - --

- - -- -

- - -- +

+ + ++ ++ +

++ +

+++ +- - -

-- - -

- - - -

+ + ++ + + + +

+ + + + +

+ ++-- - - -

- - --

+ + + + + + +- - -

- - -

- - - - -

+ + + + +

+ + + + + +- - -- - - -

+ + + + ++ + + +FIGURA 5Representacin esquemtica de una emulsin aninica y de una catinicaEl tipo de emulsificante define el tipo de emulsin: los emulsificantes aninicos, tienen grupos cidos en su parte hidroflica, con carga elctrica negativa; stos tienen como frmula general: R-COONa.

Cuando este tipo de emulsificantes se encuentra en un medio acuoso se disocia resultando:

R-COONa---> R-COO- + Na+y el grupo carboxilato COO- se va a la parte hidroflica, mientras que el radical alkilo R se queda en la parte hidrofbica.

19

Los emulsificantes catinicos son generalmente grupos aminos con carga elctrica positiva y con frmula general R-NH3Cl. Cuando este tipo de emulsificantes acta en un medio acuoso se disocia resultando:

R-NH3Cl--->R-NH3+ + Cl-y el grupo amino NH3+ se va a la parte hidroflica, mientras que el radical alkilo R

se queda en la parte hidrofbica.

Los emulsificantes son los que, producida la emulsin, se sitan en su mayor parte en la interfase, (figura 2). Su parte hidrofbica se dirige hacia el asfalto y su parte polar hacia el agua. Con estos emulsificantes inicos las partculas adquierencargaselctricasdelmismosigno,repelindoseentreellosy estabilizando al sistema.

3.1.3 Estabilidad de las EmulsionesLas emulsiones lioflicas, como forman una verdadera solucin, son estables indefinidamente. Mientras que las emulsiones liofbicas, como a ellos les disgusta el solvente, tratan de separarse en dos fases con el fin de reducir la energa libre superficial de Gibbs, volvindose inestables. Para una emulsin, mientras mayor rea superficial tenga la dispersin (i.e. mientras ms pequeas sean las partculas), mayor ser la energa libre superficial de Gibbs. Por lo tanto, las emulsioneslioflicassontermodinmicamenteestables,mientrasquelas emulsiones liofbicas son termodinmicamente inestables.

Debido a que existen diferentes tipos de estabilidad, aqu nos concentraremos en la estabilidad respecto a la separacin de fases. Esta inestabilidad significa que las partculas se comienzan a unir formando partculas ms grandes llamados agregados. Podemos definir un sistema estable como aquel en que las pequeas partculas en la emulsin estn uniformemente distribuidas en el medio continuo y as permanecen conforme transcurre el tiempo.

Existen 2 procesos diferentes mediante los cuales se agregan las partculas en la emulsin: la floculacin o coagulacin y la coalescencia.

20

Floculacin o Coagulacin: Proceso mediante el cual 2 partculas se unen para formar partculas ms grandes. En este proceso no se pierde la identidad de las partculas originales. En este caso no hay reduccin en el rea superficial total, slo se imposibilitan algunos sitios activos.

Coalescencia: Proceso mediante el cual 2 o ms partculas se funden para formar una partcula ms grande. En este caso, el rea superficial total es reducida. En este proceso si se pierde la identidad de las partculas originales.

La estabilizacin de los sistemas coloidales se puede lograr fundamentalmente por dos mecanismos diferentes:

Estabilizacin por Carga Elctrica:Esta se obtiene colocando una carga elctrica neta en la superficie de las partculas y por pura repulsin electrosttica se estabiliza la dispersin.

Estabilizacin Estrica: Esta se obtiene absorbiendo molculas de polmero en la superficie de las partculas, ya que cuando dos partculas con polmero colocadas en su superficie se aproximan una a otra, stas se repelen mutuamente debido a un aumento en la concentracin de monmero en la regin de traslape; este aumento en la concentracin produce una presin osmtica que hace que se separen las cadenas polimricas.

3.2 Las Emulsiones AsflticasEn el caso de emulsiones asflticas, los lquidos no miscibles son el agua y el asfalto. Adicionalmente se tiene el emulgente el cual se deposita en la interface entre el agua y el asfalto y estabiliza la emulsin; ste depende del tipo de emulsin que se requiera.

Las emulsiones del tipo asfltico aparecieron en el mercado a principios del siglo XX en diferentes lugares y con usos muy diversos. A principios de 1900 (en 1905) se emple por primera vez una emulsin asfltica en la construccin de carreteras en la ciudad de Nueva York; la emulsin utilizada es del tipo aninica y se emple en lugar de los usuales caminos fabricados con material ptreo, como una alternativa para evitar el polvo cuando transitaban los vehculos.

21

En 1914 el estado de Indianacomenz a realizar trabajos de reparacin de caminos empleandoestasemulsiones aninicas.En ese mismo ao, en Hamburgo, Alemania, se construy una carpeta asfltica con un tratamiento superficial de varias capas, empleando una emulsin estabilizada la cual reacciona activamente con la arcilla del substrato ptreo.

Las emulsiones aninicas se comenzaron a emplear en Europa en 1925. En la fabricacin de stas se aprovecharon los cidos naftnicos contenidos en el asfalto para que actuaran como el agente emulsificante en el momento de agregar agua con sosa custica al sistema y someterlo a una vigorosa agitacin.

Las emulsiones asflticas se comenzaron a utilizar en Mxico de 1930 a 1935 para la construccin de caminos. El gran inconveniente que tuvieron fue el largo tiempo de rompimiento delaemulsin,queen la poca de lluvias causaba muchos retrasos y graves problemas de construccin. Por este motivo, los asfaltos rebajados ganaron la preferencia del constructor y hasta la fecha, no han podido ser desplazados totalmente.

Las emulsiones asflticas catinicas aparecieron en Europa en 1953 y en EstadosUnidoshasta1958.Aparentemente,suaplicacininicialenla construccin de caminos coincidi con la aparicin de nuevos productos qumicos tenso-activos en el mercado, los cuales tienen, adicionalmente, otros usos como en el campo de las pinturas, en la industria petrolera, en la industria textil, etc.

Al principio, tales emulsiones se usaron nicamente en la construccin de tratamientos superficiales, como riego de liga y de sello. Al reconocerse la ventaja de las emulsiones catinicas sobre las aninicas y los rebajados, se inici la bsqueda de un emulsificante que produjera una emulsin de rompimiento lento, capaz de mezclarse con una granulometra para base o para carpeta.

Las emulsiones catinicas se conocieron en Mxico en el ao de 1960. En ese ao se hicieron varias pruebas y los ingenieros mexicanos presentaron en el Congreso Panamericano de Carreteras en Bogot, Colombia, un trabajo titulado: PrimerasinvestigacionesrealizadasenMxicoconemulsionesasflticas catinicas.

En 1973, los pases rabes, poseedores de la mayora del petrleo mundial, aumentaron el valor del barril de petrleo crudo resultando afectados los derivados delmismo,entre ellos los solventes empleadosen los asfaltos

22

rebajados; esto provoc un incremento en el uso mundial de las emulsiones asflticas.

Los pases con mayor produccin de emulsiones asflticas son, en orden de importancia: Estados Unidos, Francia, Espaa y Japn. Entre estos cuatro pases se fabrica un 40% aproximadamente de la produccin mundial de emulsin asfltica, que se estima actualmente prxima a los diecisis millones de toneladas, de la que ms del 85% es del tipo catinico.

3.2.1 Tipos de Emulsiones AsflticasLas emulsiones asflticas pueden ser clasificadas de acuerdo al tipo de emulgente usado. En este caso podemos hablar de dos tipos, aninicas y catinicas:

Emulsiones Aninicas:

En este tipo de emulsiones el agente emulsificante le confiere una polaridad negativa a los glbulos, o sea que stos adquieren una carga negativa.

Emulsiones Catinicas:

En este tipo de emulsiones el agente emulsificante le confiere una polaridad positiva a los glbulos, o sea que stos adquieren una carga positiva.

Respecto a la estabilidad de las emulsiones asflticas, stas se pueden clasificar en los siguientes tipos:

De Rompimiento Rpido:

Estas se utilizan para riegos de liga y carpetas por el sistema de riegos (con excepcin de la emulsin conocida como ECR-60), la cual no se debe utilizar en la elaboracin de estas ltimas.

De Rompimiento Medio:

Estas normalmente se emplean para carpetas de mezcla en fro elaboradas en planta, especialmente cuando el contenido de finos es menor o igual al 2%, as como en trabajos de conservacin tales como bacheos, renivelaciones y sobrecarpetas.

De Rompimiento Lento:

Estas se emplean para carpetas de mezcla en fro elaboradas en planta y para estabilizaciones asflticas.

23

Para Impregnacin:

Estas se utilizan para impregnaciones de sub-bases y/o bases hidrulicas.

Super Estables:

Estas se emplean en la estabilizacin de materiales y en la recuperacin de pavimentos.

Segn el contenido de asfalto en la emulsin, su tipo y polaridad, las emulsiones asflticas de clasifican como se muestra en la Tabla II

TABLA IIClasificacin de las Emulsiones AsflticasClasificacinContenido de Asfalto(% en masa)Tipo deRompimientoPolaridad

EAR-5555RpidoAninica

EAR-6060RpidoAninica

EAM-6060MedioAninica

EAM-6565MedioAninica

EAL-5555LentoAninica

EAL-6060LentoAninica

EAI-6060Para

ImpregnacinAninica

ECR-6060RpidoCatinica

ECR-6565RpidoCatinica

ECR-7070RpidoCatinica

ECM-6565MedioCatinica

ECL-6565LentoCatinica

ECI-6060Para

ImpregnacinCatinica

ECS-6060Sobre-EstabilizadaCatinica

24

3.2.2 Rompimiento de las Emulsiones AsflticasCuando uno usa emulsiones asflticas, es necesario tener control sobre la estabilidad de la emulsin, o sea, se tiene que poder controlar el rompimiento de la misma. Pasado un tiempo determinado, el cual depende de la situacin en particular que se est trabajando, las emulsiones tienen que desestabilizarse para que el asfalto se deposite como una capa sobre el material ptreo.

Este fenmeno de rompimiento o ruptura de la emulsin ocurre debido a la carga elctrica que tiene el material ptreo. La carga que tiene el material ptreo neutraliza la carga de las partculas de asfalto en la emulsin, permitiendo que se acerquen unas a otras para formar agregados de gran tamao; estos agregados son los que se depositan sobre el material ptreo formando una capa asfltica.

Durante este proceso el agua es eliminada del sistema asfalto-ptreo. En el proceso de desestabilizacin, la emulsin como va perdiendo agua, pasa por una emulsin inversa en donde el asfalto forma la fase continua y el agua la fase discreta, o sea que se forman pequeas 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 emulsin aninica son la evaporacin de la fase acuosa, la difusin del agua de la emulsin y la absorcin superficial de una parte del emulsificante en el material ptreo. La ruptura de la emulsin catinica se produce por la absorcin de la parte polar del emulgente por los agregados, provocando la ruptura de la emulsin y haciendo que las partculas del asfalto se adhieran inmediatamente a las partculas del material ptreo, aun en presencia de humedad. En la figura 6 podemos observar el proceso de ruptura de una emulsin en tres pasos: primero se observa la emulsin, enseguida cuando se inicia el rompimiento y despus cuando se produce la ruptura completa y queda el material ptreo cubierto por el asfalto.

La forma de rompimiento de las emulsiones asflticas catinicas, en la mayora de los casos, mejora la adherencia y permite una mejor distribucin de la mezcla dentro de la masa del agregado ptreo; adicionalmente permite proseguir los trabajos de asfaltado en regiones con climas hmedos o durante una temporada de lluvias, garantizando la apertura de caminos al trnsito en un corto perodo de tiempo.

25

FIGURA 6Ruptura de una Emulsin Asfltica sobre un Material Ptreo3.2.3 Requisitos de Calidad para Emulsiones AsflticasLas emulsiones asflticas deben de satisfacer los requisitos de calidad que se indican a continuacin:

Las emulsiones asflticas aninicas, segn su clasificacin, deben de cumplir con todos los requisitos establecidos en la Tabla III.

26

TABLA IIIRequisitos de Calidad para Emulsiones Asflticas AninicasCaractersticasEAR-55EAR-60EAM-60EAM-65EAL-55EAL-60EAI-60

Contenido Asfalto55606065556060

Viscosidad S-F (25C)5------20205

Viscosidad S-F (50C)--405025------

Asentamiento

(5 das)5555555

Retenido en Malla 200.10.10.10.10.10.10.1

Pasa 20

Retiene 600.250.250.250.250.250.250.25

Cubre Agregado

Seco----90909090--

Cubre Agregado

Hmedo----75757575--

Miscible Cemento

Portland--------22--

Carga de las

Partculas(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)

Demulsibilidad60 min50 min30 max30 max------

27

Las emulsiones asflticas catinicas, segn su clasificacin, deben de cumplir con todos los requisitos establecidos en la Tabla IV

TABLA IVRequisitos de Calidad para Emulsiones Asflticas CatinicasCaractersticasEAR-60EAR-65EAM-70EAM-65EAL-65EAL-45EAI-60

Contenido Asfalto60656865656060

Viscosidad S-F (25C)--------25525

Viscosidad S-F (50C)5405025------

Asentamiento

(5 das)55555105

Retenido en Malla 200.10.10.10.10.10.10.1

Pasa 20 Retiene 600.250.250.250.250.250.250.25

Cubre Agregado Seco------9090--90

Cubre Agregado

Hmedo------7575--75

Carga de las Partculas(+)(+)(+)(+)(+)(+)(+)

Disolvente (vol.)--335--15--

Indice de Ruptura< 100< 100< 10080-140> 120--> 120

3.2.4 Clasificacin del Material PtreoDebido a que el rompimiento de la emulsin asfltica se lleva a cabo por la interaccin qumica de sta con el material ptreo, es necesario conocer el tipo de material ptreo que se tiene, para determinar el tipo de emulsin asfltica ms apropiada.

28

La clasificacin de las rocas tiene en cuenta la proporcin en slice que contienen: cidas, son las que tienen ms del 66 por ciento de dixido de silicio (Si O2); intermedias, las que contienen entre 52 y 66 por ciento del mismo mineral y bsicas, las que contienen menos del 52 por ciento. En la tabla V se muestran rocas representativas de estos grupos [1].

TABLA VClasificacin del Material Ptreo por su Contenido de SliceROCAS ACIDASROCAS INTERMEDIASROCAS BASICAS

Granitos Granodiorita Granito prfido Riolita

DiacitaSienita Traquita Traquiandesita Diorita Andesita FonolitaGabro Basalto Peridotita Piroxenita Diabasa Dolerita

Durante muchos aos se tuvo la idea que los materiales silceos cidos tenan cargas elctricas negativas y que los materiales silceos bsicos o alcalinos, cargas positivas. Sin embargo, en trabajos de investigacin recientes, ha quedado establecido que todos los agregados ptreos tienen cargas elctricas negativas, incluyendo granitos, calizas, dolomitas, areniscas, basalto y cuarzo.

Por las caractersticas de las emulsiones catinicas ya mencionadas, se prefieren stas para la realizacin de trabajos en ingeniera, con todas las ventajas que las mismas presentan sobre los asfaltos rebajados y mezclas asflticas en caliente.

3.2.5 Ventajas de las Emulsiones AsflticasEn esta seccin veremos qu ventajas tienen las emulsiones asflticas sobre los asfaltos rebajados y las mezclas asflticas en fundido (en caliente).

1)

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

2)

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

29

3)Tiene un lmite 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.

4)Tiene una gran adhesin con cualquier agregado ptreo, a pesar de condiciones de humedad adversas debido a la enorme dispersin de las partculas de asfalto de tamao muy pequeo y al uso de agentes emulsificantes de tipo catinico.

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

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

7)Se emplean materiales ptreos locales, lo que elimina la transportacin de este tipo de materiales por grandes distancias.

8)El equipo de aplicacin es mucho ms sencillo debido a que todos sus componentes se aplican a temperatura ambiente.

9)Por su aplicacin en fro, ayuda a no alterar el medio ambiente y queda suprimida la emisin de humos o gases.

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

3.2.6 Recomendaciones para el Uso de Emulsiones AsflticasLas recomendaciones ms generales para el uso de las emulsiones asflticas son las que se describen a continuacin:

1)

Si el depsito se us para almacenar emulsiones aninicas y se van a almacenar emulsiones catinicas, es necesario neutralizar la accin de aquella lavando el tanque, primero con agua y posteriormente con cido clorhdrico diluido al uno por ciento.

2)

Por el contrario, si el depsito se us para almacenar emulsiones catinicas y se quiere almacenar emulsiones aninicas, se tendr que lavar con agua y neutralizarlo con sosa custica al 0.3 por ciento.

3)

Para descargar ms emulsin 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.

4)

Cuando una fbrica o compaa est establecida permanentemente en una regin donde se registran temperaturas muy bajas, los tanques deben tener un sistema de calentamiento adecuado o estar cubiertos con algn sistema aislante, para evitar la congelacin.

30

5)Cuando los tanques de almacenamiento sean los que usa una compaa constructora, los depsitos se protegern con mechones alrededor, lo que ser suficiente para que no baje la temperatura. Si los tanques estn enterrados, no hay necesidad de tomar otra medida para evitar la congelacin.

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

7)Una emulsin que cumple con las especificaciones de calidad, puede estar almacenada durante ms de un ao, si se recircula sistemticamente para mantenerla homognea.

8)Lostanquesdealmacenamientodeberntenerunsistemade recirculacin, con el objeto de evitar el asentamiento del asfalto contenido en la emulsin.

9)La temperatura ambiente al aplicarse la emulsin, deber ser de 10 C mnimos y en ascenso y nunca debe de hacerse cuando baje la temperatura durante la noche.

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

3.2.7 Usos de las Emulsiones CatinicasEl asfalto es un importante material termoplstico que es ampliamente usado en la construccin y sus usos se hacen extensivos a las emulsiones asflticas catinicas, entre los que destacan:

1Usos generales.

2Juntas para pavimentos hidrulicos.

3Adhesivos.

4Selladores.

5Impermeabilizantes.

6Recubrimiento de tubera especial.

7 Para tratamientos superficiales, para pavimentos asflticos, en carreteras y aeropistas:

-Riegos de impregnacin.

-Riegos de imprimacin o penetracin.

-Riegos negros con emulsin diluida.

-Riegos de liga.

31

-Riegos de sello con arena o gravilla seleccionada.

8Morteros asflticos o slurry seal (slo con emulsiones asflticas).

9Bacheo.

10En la masa o mezcla asfltica, para carreteras y aeropistas.

11Mezcla cerrada y mezcla abierta.

12Grava - emulsin y arena emulsin.

13Penetracin.

14Impregnacin.

3.2.8 Especificaciones de las Emulsiones AsflticasA continuacin se indican algunas especificaciones adicionales de las Emulsiones

Asflticas Catinicas:CARACTERISTICASNORMA S.C.T.601.03.011EMULSION RAPIDAEMULSION MEDIAEMULSION LENTA

RR-C1RRC2RM-C1RM-C2RL-C1RL-C2

Viscosidad Saybolt Furol

A 25C en seg. A 50C en seg.011-G.1120802020202020

Viscosidad Brookfield

A 25 C en CP A 50C en CPASTM D- 440240160

4040404040

Determinacin del

Residuo asfltico: Destilacin % Mnimo Evaporacin % Mn.011-G.09

011-G.10606063636060636363636060

Sedimentacin en

Almacn en 24 hrs. %

Mximo a 25 C NOTA 1ASTM D-2442.01.03.03.03.02.0

Retenido en malla 0.85 mm. % mximo011-G.130.10.10.10.10.10.1

Carga elctrica de la

Partcula011-G.03POSITIVA

Tiempo que tarda en

Descargar la partcula en Minutos a 50 CAMFE22121225NOTA 2

Carga activa de la

Partcula NOTA 3AMFEObscuraObscuracafcafbeishSin color

Miscibilidad en aguaASTM D-244NegativANegativaP OSI TIVA

Determinacin del Potencial de hidrgeno (Ph) mximo011-F.04444444

32

Especificaciones del Residuo AsflticoCARACTERISTICASNORMA S.C.T.601.03.011EMULSION RAPIDAEMULSION MEDIAEMULSION LENTA

RR-C1RRC2RM-C1RM-C2RL-C1RL-C2

Viscosidad Brookfield 135CASTM D- 4402300300300300300300

Penetracin 25C; 100 gr;

5 seg.(AC-20) mnima011-C.04606060606060

Ductilidad mnima. Cm011-C.05505050505050

Especificaciones para Asfaltos Modificados con Polmeros

En los ltimos aos se han desarrollado nuevas pruebas de calidad para asfaltos, que toman en consideracin aspectos ms apegados al trabajo de campo con los mismos y a los nuevos tipos de asfaltos que se estn usando actualmente, los asfaltos modificados con polmeros, mediante un programa implementado en Estados Unidos de Amrica, SHRP (Strategic Highway Research Program), que ya han sido aceptadas e incluidas dentro de las Normas de la AASHTO y la ASTM, que se relacionan enseguida.

PRUEBADETERMINANORMA

Viscosidad Rotacional R BrookfieldViscosidad a altas temperaturasASTM

D-4402

Remetro de corte dinmico DSRG* y a altas y medias temperaturasSHRP

B-003AASHTO

TP-5

Envejecimiento en pelcula delgada rolada

RTFOTEnvejecimiento a corto plazoASTM

D-2872AASHTO

T-240

Envejecimiento en molde de presin PAVEnvejecimiento a largo plazoSHRP

B-005AASHTO

PP-1

Ensaye de tensin directa DDTDeformacin a la ruptura por tensin a

baja temperaturaSHRP

B-006AASHTO

TP-7

Remetro de flexin por viga de apoyos

BBRS (t) y m a baja temperaturaSHRP

B-002AASHTO

TP-1

Nota 1 La prueba de sedimentacin a 24 hrs. se adopt por estar especificada en la ASTM pero se ha modificado segn el mtodo adjunto.

Nota 2La prueba de la partcula debe efectuarse en un lapso mnimo de dos minutos con una corriente elctrica de 100 mil amperes.

33

Nota 3La prueba de adherencia activa de la emulsin con el material, ser medida sumergiendo partculas del material en emulsin y sometindolas inmediatamente a un chorro de agua para lavarlas.

-En el caso de las emulsiones de rompimiento rpido, la pelcula que quede en el material debe ser negra, pareja y con un cierto grosor.

-Las emulsiones de rompimiento medio despus del lavado inmediato, deben de tener una pelcula de color caf, no gruesa pero visible.

-Las emulsiones lentas (RL-CI) despus del lavado inmediato, deben de dejar una pelcula caf clara delgada pero apreciable.

-Las emulsiones lentas (RL-C2) despus del lavado inmediato, no dejan ningn tipo de huella de asfalto dejando el material totalmente limpio.

SCT: Secretara de Comunicaciones y Transportes. ASTM: American Society of Testing Materials. SHRP: Strategic Highway Research Program.

AASHTO: American Association of State Highways and Transportation

Officials.

3.3 Emulsiones de Asfaltos ModificadosEl planteamiento de nuevas necesidades, el desarrollo de nuevas tcnicas de fabricacin o puesta en obra y en definitiva, la mejora y optimizacin de las tcnicas en las emulsiones asflticas, ha permitido la aparicin de nuevos tipos de emulsiones, entre las que podemos enumerar: emulsiones muy viscosas, de alta flotacin, de rompimiento controlado por aditivos, emulsiones modificadas y emulsiones de asfaltos modificados.

Actualmenteseutilizaunagranvariedaddepolmeroscomercialescon composicin qumica y propiedades diferentes, para emulsiones de asfaltos modificados. Entre los empleados de forma ms generalizada tenemos los elastmeros termoplsticos de estireno-butadieno-estireno (SBS) y de estireno- butadieno(SBR), y los copolmeros de estireno acetato de vinilo (EVA).

Actualmente existen en el mercado un gran nmero de asfaltos modificados con polmeros, que en general utilizan un emulgente catinico para lograr la unin y estabilidad del cemento asfltico, el polmero y el agua, constituyendo una emulsin asfltica catinica con polmeros.

34

Los fabricantes de los productos mencionados, los promocionan al pblico, mostrando su calidad en comparacin con los empleados tradicionalmente, en los usos de la ingeniera civil, por medio de resultados de pruebas de laboratorio, las cuales estn especificadas en Normas establecidas por organismos reconocidos a nivel internacional y nacional, tales como: A.S.T.M., AASHTO, SHRP., S.C.T. y NOM.

Los asfaltos modificados que podemos adquirir en Mxico, tienen la caracterstica de que son provenientes del extranjero, por lo que resultan muy costosos, ya que en su precio estn incluidos los derechos de patente y de importacin. Por esta razn, su uso en obras de gran envergadura muchas veces se omite, a pesar de las ventajas que presenta.

3.3.1 Fabricacin de Emulsiones AsflticasEl equipo y produccin para la fabricacin de emulsiones es muy simple y fcil de conseguir en el mercado. El problema est en la formulacin de las emulsiones que debenadaptarse alos materialesptreos.Los requerimientos para la fabricacin de las emulsiones asflticas son sencillos, como se muestra en la Figura 7.

EMULSIFICANTEAGUAASFALTOMOLINO COLOIDAL

TANQUE DE ALMACENAMIENTO

FIGURA 7Esquema para la Fabricacin de la Emulsin Asfltica35

4 ConclusionesEn el presente trabajo se hace una revisin del tema de las emulsiones asflticas, haciendo nfasis en la importancia que stas tienen en la moderna tecnologa del proceso de asfaltado de carreteras. Aqu se muestra la importancia de este tema desde un punto de vista tecnolgico, resaltando las variables importantes en la fabricacin de las emulsiones asflticas. Estas tienen un sinnmero de ventajas sobre el asfalto caliente o el rebajado, por lo que es importante extender el empleo de este tipo de tecnologa en Mxico debido a la magnitud de su red carretera.

La utilizacin de esta tecnologa no nicamente proporciona un ahorro en el proceso de asfaltado de las carreteras, sino que tambin mejora la adhesin del asfalto con el material ptreo, con un consecuente incremento en el tiempo de vida de la carpeta asfltica y una mayor seguridad para el usuario de las mismas.

37

5 Referencias1

X. Lu and U. Isacsson, Characterization of Styrene-Butadiene-Styrene Polymer Modified Butimens-Comparison of Conventional Methods and Dynamical Mechanical Analysis, Journal of Testing and Evaluation, JTEVA,

25 (4), 383-390 (1997)

2

Bouldin, M. and Collins, A.; "Rheology and Micro-Structure of Polymer Asphalt Blends", Shell Development Co., Presented at the Meeting of Rubber Division, ACS, Las Vegas (1990)

3Krauss, G.; "Modification of Asphalt Block Polymer of Butadiene and

Styrene", Rubber Chem. Tech., 55, 1389 (1982)

4Hull, D., "An Introduction of Composite Materials", Cambridge University

Press, (1981)

5

G. Hernndez, R. Rodrguez, R. Blanco and V.M. Castao, "Mechanical Properties of the Composite Asphalt-Styrene-Butadiene Copolymer at High Degree of Modification", Intern. J. Polymeric. Mater. 35, 129-144 (1997)

6"Kraton Thermoplastic Rubber in Asphalt Products", Technical Bulletin, Shell

Chemical Co. (1987)

7

R. Blanco, R. Rodrguez, M. Garca-Garduo and V. Castao, "Rheological Properties of Styrene-Butadiene Copolymer Reinforced Asphalt", J. Appl. Polym. Sci. 61, 1493-1501 (1996)

8"Finaprene Rubber for Bitumen Modification", Technical Bulletin, Fina

Corporation

9"Use of Finaprene Block Copolymers to Modify Asphalt form Different Crude

Sources", Technical Bulletin, Fina Corp. (1987)

10R. Blanco, R. Rodrguez, M. Garca-Garduo V. Castao, "Morphology and Tensil Properties of the Composite Asphalt-Butadiene-Styrene Copolymer", J. Appl. Polym. Sci. 56, 57-64 (1995)

39

11Emulsiones Asflticas. Gustavo Rivera Escalante. Representaciones y

Servicios de Ingeniera, S.A. Mxico. Tercera Edicin 1987

12Innovaciones en Emulsiones Asflticas. Julin Sanz Libana. XI Reunin

Nacional de Vas Terrestres. Morelia, Michoacn. 1994.

13Determination of Electro Kinetic Potential and Surface Charge of Highway

Aggregates. MC. Glashan y Rule. 1961

14Determination of Surface Charges of Certain Highways Aggregates by

Streaming Potential Methods. W. Cullen Sherwood. 1967

15The Chemistry of Asphalt Emulsions. J. Dybalski. 1976

16EmulsionesAsflticas.FbricadeAsfaltosEmulsionadosdeAlto Rendimiento, S.A. de C.V., Gustavo Rivera Escalante. 1er. Congreso Internacional de Vas Terrestres. Chihuahua, Chih. 1987

17Cationic Asphalt Emulsifiers. Witco Oleo. 1997

18Disperse Polymers in Asphalt Without Expensive Mixing-Sherex PD-1 from

SHEREX. Witco Oleo. 1997

19MechanicalPropertiesoftheCompositeAsphalt-Styrene-Butadiene Copolymer at High Degree of Modification. G. Hernndez, R. Rodrguez, R. Blanco and V. M. Castao. Intern. J. Polymer Mater. 1987, Vol. 35, pp. 129-

144

20Morphology and Tensile Properties of Styrene- Butadiene Copolymer Reinforced Asphalt. R. Blanco, R. Rodrguez, M. Garca-Garduo and V. M. Castao. Journal of Applied Polymer Science, Vol. 56, 57-64(1995)

21MechanicalPropertiesofAsphaltModifiedwithNon-LinearStyrene- Butadiene Polymer. G. Hernndez, R. Rodrguez, A. del Real, and V. M. Castao

22Evaluacin de los Asfaltos por el Mtodo SHRP. Rafael Limn Limn. 1er.

Congreso Internacional de Vas Terrestres. Chihuahua, Chih. 1987.

40

23Cold Institute Recycling in New Mexico, USA. R. Gordon Mackeen and Duncan Wright. Alliance for Transportation Research, USA. 1er. Congreso Internacional de Vas Terrestres. Chihuahua, Chih. 1987

24Modificacin de Asfaltos con Polmeros. Juvenal Macas. XI Reunin

Nacional de Vas Terrestres. Morelia, Michoacn. 1994

25Norma: M-MMP-4-05-006/00, Libro: "MMP. Mtodos de Muestreo y Pruebas de Materiales", Parte: 4. Materiales para Pavimentos", Ttulo: 06. Materiales, Asflticos, Aditivos y Mezclas", Captulo: 001. Calidad de Materiales Asflticos", SCT, 15/08/00

26Norma: N-CMT-4-05-001/00, Libro: "CMT. Caractersticas de los Materiales", Parte: 4. Materiales para Pavimentos", Ttulo: 06. Materiales, Asflticos, Aditivos y Mezclas", Captulo: 006. Penetracin en Cementos y Residuos Asflticos", SCT, 24/04/00

41

CIUDAD DE MEXICO SANFANDILAAv. Patriotismo 683Km. 12+000, Carretera

Col. MixcoacQuertaro-Galindo

03730, Mxico, D. F.76700, Sanfandila, Qro. Tel (55) 56 15 35 75Tel (442)2 16 97 77

55 98 52 182 16 96 46

Fax (55) 55 98 64 57Fax (442)2 16 96 71

Internet: http://www.imt.mx publicaciones@imt.mx

-

+

+

+

+

+

-

-

+

-

- - -