ibp2203_11

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1.IngenieraCivil-PontificiaUniversidadJaveriana,candidataaMagisterenI.C.

2.IngenieroCivil-PontificiaUniversidadJaveriana,candidatoaMagisterenI.C.

3.MSc,IngenieroCivil-PontificiaUniversidadJaveriana,candidatoaPHDenI.C.

4.PHD,IngenieroCivil-PontificiaUniversidadJaveriana,directorprogramadeMaestraenI.C.

IBP2203_11CARACTERIZACIONDEASFALTOSCOLOMBIANOS

ENVEJECIDOS60/70Y80/100JoyceM.Rojas1,HeribertoAmado2,WilmarD.Fernandez3,

FredyA.Reyes4

Copyright2011,InstitutoBrasileirodePetrleo,GseBiocombustveis-IBPEsteTrabajoTcnico,elaboradoparaserpresentadoenelXVICILACongresoIbero-LatinoamericanodelAsfaltoarealizarseentreel20yel25denoviembrede2011enRiodeJaneiro,fueseleccionadoporelComitTcnicodeleventoparadichofin,deconcordanciaconlasinformacionescontenidasenelresumensometidoporel/losautor(es).Talcualpresentado,sucontenidonofuerevisadopor el IBP.Por ende, losorganizadoresno traducirnni corregirn los textos recibidos.La versin originaldelmaterialpresentado no refleja necesariamente las opiniones del Instituto Brasileiro de Petrleo, Gs e Biocombustveis, sus Asociados yRepresentantes.El/losautoresdeesteTrabajoTcnicotienenplenoconocimientodeestoyapruebansupublicacinenlosAnalesdelXVICILACongresoIbero-LatinoamericanodelAsfalto.

Resumen

Estainvestigacin tuvocomoobjetivoelenvejecimientoacortoy largoplazodelasfaltoColombianodepenetracin60/70deBarrancabermeja,atravsdeensayoscomoRTFOTyPAVyunensayoadicionaldeRTFOTmsUVAatresperiodosdistintosdeexposicin;losresultadosdelosensayosconvencionalescomopenetracin,ductilidadypuntodeablandamientoascomoDSR,fueronanalizadasentodaslasetapas.Losresultadosdelacaracterizacinmuestranqueel comportamiento de las muestras tratadas con RTFOT y PAV es similar a las muestras tratadas con RTFOT yradiacinUVAporunperiodoentre100y200horas.

Abstract

The aim of this research was to observe the long and short term aging of the 60/70 penetration graded Colombianasphalt from Barrancabermeja, through RTFOT, RTFOT plus UVA and PAV tests during three different exposureperiods. Conventional test such as penetration, ductility and softening point, and DSR test were analyzed in threedifferentstages.ResultsfromcharacterizationshowsimilarbehaviorbetweensamplesanalyzedbyRTFOTandPAVincomparisonwiththeonesevaluatedwithRTFOTplusUVAradiationinaperiodof100to200hours.

1.Introduccin

El programa estratgico de investigacin para autopistas, SHRP, se estableci en Estados Unidos como unprogramaparaestablecerespecificacionesalosligantesasflticosconbaseencondicionesdedesempeo.DentrodelmarcodelSHRP,Bell(1989)hizounaextensarecopilacindelainformacinexistentealafechayasuvezestablecide manera formal recomendaciones sobre los ensayos que se deberan establecer para simular el envejecimiento enligantesasflticosydemaneraseparadaparaelenvejecimientoacortoplazoyalargoplazo,teniendoelcaloryelairecomoelementosfundamentalesparaeltratamientocortoplazo,yelcalor,lapresinylaexposicinultravioletaparaeltratamientoalargoplazo.

Hoyenda, impulsadospor las investigaciones llevadasa cabodentrodelSHRP, se tienenformalizados losprocedimientos de ensayo de lmina delgada en horno giratorio, RTFOT, y ensayo en vasija a presin, PAV, parasimularlaafectacinqueexperimentaelliganteasflticoenlosprocesosdecortoplazoylargoplazo,entendiendoestoscomo periodo de mezcla y colocacin, y el periodo prolongado de servicio respectivamente. El endurecimientoproducido por la prdidade voltiles y oxidacin del ligante afectan la durabilidadde las mezclas asflticas. (Airey2003)raznporlacualesimportantelaevaluacindelavariacindelaspropiedadesantelasimulacinqueofrecenestosensayos.

Adicionalmentealasimulacindeenvejecimientoacortoylargoplazomediantelosensayosnormalizados,escreciente el nmero de investigaciones p.e. Wu et al. (2009), que involucran de alguna manera las condicionesambientales las cuales estn relacionadas con la exposicin del asfalto a humedad y a la radiacin con rayosultravioleta,bienseaporexposicindirectaalambienteomedianteequiposquesimulanestaexposicin.

XVICILACongresoIbero-LatinoamericanodelAsfalto

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Dentro de esta clase de investigaciones se encuentra el presente trabajo, donde se someti una muestra deasfaltocolombianodepenetracin60/70aexposicinderayosUVAenperiodoscortosderadiacin.

2.Antecedentes

ComoantecedenterecienterelacionadoconlaexposicindeligantesalosrayosUVseencuentraeltrabajodeBocciyCerni(2000),quienesencontraronensuinvestigacinquelaradiacinultravioletaafectadeformadiferentealligante dependiendo del origen de la muestra, es decir, el proceso se presenta con variaciones dependiente de loscomponentes particulares de cada asfalto. De la misma forma estos autores concluyeron que el proceso deendurecimientogeneradoporlaexposicinarayosUVesdiferentealgeneradoporlosprocesosdetermooxidacin.

Enotra investigacinsobreasfaltoscolombianos,Afanasieva yCifuentes (2002), presentaronun trabajodeinvestigacinrelacionandodirectamentelaradiacinsolarenelprocesodeenvejecimientoenlosasfaltoscolombianosencontrandoquelosrayosUltravioletaBsonlosquecausanmayorafectacinalosligantesasflticos.Igualmenteseresalta el trabajo de investigacin realizado por Martnez y Caicedo (2005) quienes caracterizaron asfalto depenetracin80/100,estableciendoquelaafectacindelosrayosultravioletaseencontrabarelacionadaconelespesordelapelculautilizada(2mmy1mm),siendomayorlaafectacinenlapelculademenorespesor.

SuarezyCaicedo(2005))realizunainvestigacinenlacualcaracterizmedianteDSRmuestrasdeasfaltoscolombianos provenientes de las fuentes de Apiay y Barrancabermeja en estado natural y luego de ser sometidos aprocedimientos de simulacin de envejecimiento a corto y largo plazo mediante RTFOT y PAV encontrandoefectivamentequelavariacindelaspropiedadessedaaunatasadiferenteentrelosdosasfaltoscolombianosyasuvezencontrmduloscomplejosmsaltosparaelasfaltodelafuenteApiay.

Los efectosde la radiacinultravioleta en el cemento asfalticopueden cambiar la estructura molecular delmismo, as como pueden acelerar los procesos de envejecimiento trmico o alterar la susceptibilidad al agua de lasmezclas (Cortesetal.,2010).Estasituacinpuedepresentarseyaquetresmecanismosdeenvejecimientosepuedendar simultneamente, volatilizacin, oxidacin y polimerizacin. Cuando la radiacin alcanza el material, diferentesmolculaspuedenexperimentarunagrancantidaddenivelesdeenerga,asenalgunoscasosladegradacinmolecularpuede ocurrir, las cadenas de carbono-carbono se pueden romper y se pueden combinar con el aire (oxidacin),adicionalmente la degradacinpuede llevara laprdidademateriales livianos(volatilizacin).Comoresultadode ladegradacin puede presentarse adems la formacin de radicales libres y esto puede estimular la combinacin yformacindenuevas molculas (polimerizacin). Laconsecuenciadeestosprocesoscorrespondealendurecimientosuperficialdelacapaderodadura,lafragilidaddelamismaylaaparicindegrietas(Monteparaetal.,1996).Similaresresultadosfueronencontradosalrealizarpruebasdefotodegradacinconxenn(Yamaguchetal.,2005).

Reyes yCamacho (2008) se enfocaronelefectode los rayosultravioleta en las propiedadesdeunamezclaasfltica partiendo de la caracterizacin del asfalto original y posteriormente envejecindolo mediante rayosultravioleta deelloestablecieronque laestabilidadaumentay ladeformacinpermanentedisminuyeal someter lasmuestrasaunensayoMarshall,asmismoelmoduloresilienteaument.Entretanto,Wuangetal.(2008)realizaronunprocesodeenvejecimientoporexposicinnaturaladiferentesperiodosdetiemposobreunasfaltodepenetracin65,encontrandoqueporelprocesodeoxidacinelmaterialserigidiza,representadoenelaumentodelmdulocomplejodel material relacionado proporcionalmente con el tiempo de exposicin al ambiente presentado. Wu et al. (2009)concluyeronensutrabajode investigacinque losefectosde laexposicindelasfaltoalosrayosUVdisminuyenamedidaqueseincrementaelespesordepelculadeasfalto.

Rondn y Reyes (2009) evaluaron el cambio que experimenta el mdulo resiliente, la deformacinpermanenteylaresistencialtimabajocargamonotnicadeunamezclaasflticadensaencalientecuandoesexpuestaal ambiente de la ciudad de Bogot D.C. (Colombia). Las mezclas se fabricaron utilizando diferentes cementosasflticos,yseevalusuevolucineneltiempoevaluandolosparmetrosmencionadoscada3mesesenuntiempodeobservacinde20meses.De losestudiosseconcluyequeelcomportamientoqueexperimentan lasmezclasdependedeltipodeasfaltoutilizado.Adicionalmente,latendenciadelasmezclasconlostrestiposdeCAesexperimentarunaumento en los valores de rigidez con el tiempo de exposicin al ambiente debido principalmente a procesos deendurecimientoporenvejecimientodelosligantesasflticos.

3.ProgramaExperimental

Deacuerdoconlosantecedentescitadosseestablecielprogramadeensayosorientadoalacaracterizacindelasfalto colombiano 60/70 mediante ensayos convencionalesdepenetracin, ductilidad ypunto de ablandamiento, enadelante ensayos convencionales, as como la medicin de sus propiedades reolgicas a travs del ensayo DSR, tal


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comosemuestraen laTabla1.Estacaracterizacinsehizoal liganteoriginal,envejecidoacortoplazonormalizado(RTFOT),envejecidoalargoplazonormalizado(PAV),yunenvejecimientomediantelaexposicinarayosUVatresexposicionesdetiempopredefinidas,comosemuestraenlaTabal2.Todavezquelosensayosdecortoylargoplazoseencuentrannormalizados,enelnumeral3.1nicamenteseexplicaelprocedimientollevadoacabosobrelasmuestrasasertratadasmedianteradiacinUV.

Tabla1.Caracterizacindelosasfaltos

Ensayo NormaPenetracin I.N.V.-E706(ASTMD5-97)Puntodeablandamiento I.N.V.-E712(ASTMD36-95)DuctilidadViscosidadRotacional*

I.N.V.-E702(ASTMD113-99)I.N.V.-E717(ASTMD4402-06)

DSR I.N.V.-E750(ASTMD7175-08)

*Sloparaliganteoriginal,tratadomediantePAVytratadomedianteRTFOT+UV100h.

3.1.EnvejecimientomediantelaexposicinarayosUV.

Elasfaltoutilizado60/70en su estadooriginal y envejecidomedianteRTFOT,es sometidoa radiacinUVmediantelautilizacindelacmaradeenvejecimientoUVA_340_ATL,paralocualseestablecenperiodosalternadosdeexposicinycondensacindedoshorascadaunohastacompletarlasexposiciones totalescombinadas(radiacin-condensacin), de 50 horas, 100 horas y 200 horas. El espesor de pelcula se fija para esta investigacin en 2mmteniendoloexpuestoporMartnezyCaicedo(2005),dondeesteespesordepelculapresentabauncomportamientomshomogneocomparadocon1mmdeespesor.Lasmuestrasdelligantesoncolocadasenmoldesde15cmdeanchopor30cmdelargoycorrespondena90gdelmaterialatratarparaasobtenerelvalordeespesordefinido.

Tabla2.Procesosdeenvejecimiento

Ensayo NormaRTFOT I.N.V.-E720(ASTMD2872)PAV I.N.V.-E751(ASTMD-6521)UV SinNorma

La cmaraUVutilizada cuenta con ocho lmparas conuna frecuenciade 340 nmcadauna, con lasque sesimulalaradiacinsolarenlazonaderayosUVA.Latemperaturafijadaenlacmaradeenvejecimientoesde60oC,valorqueescomnparaunpavimentoenservicioentemporadaseca.

4.Resultados

4.1Caracterizacinmedianteensayosconvencionales

La Figura 1 muestra los resultados obtenidos al realizar el ensayo de penetracin a las muestras en estadooriginal,tratadaconRTFOT,tratadaconPAV,ascomomuestrasdeasfaltooriginalyRTFOTtratadasenlacmaradeenvejecimientoparalosperiodosdefinidos.LamuestraoriginalsecitaconunaletraOmselperiododeexposicinenlacmaradeenvejecimiento.SeobservacomolamuestratratadaconRTFOTyPAVreflejaunmayorendurecimientodel material, siendo este valor similar al obtenido en la muestra tratada con RTFOT y exposicin en la cmara deenvejecimiento de 200h. Los valores de penetracin para las muestras de 50h y 100h para las muestras sometidas aradiacinycondensacinpresentanuncomportamientocontrarioalarigidizacinesperadasiendoestosresultadosunindicio de una posible autoregeneracin del ligante producido por exposiciones a la cmara de envejecimientorelativamentecortas.


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Figura1.Penetracindelasmuestras.

Para el ensayo de ductilidad realizado a las muestras, se aprecia en la Figura 2 como los resultados de lacaracterizacinparalosasfaltostratadosconsimulacindeenvejecimientoacortoplazoenadicinalenvejecimientocon exposicin a radiacin UV reflejan una mayor afectacin a la ductilidad del material en comparacin con losresultadosobtenidosenelligantesintratamientoRTFOTprevio.SinembargoeltratamientomedianteRTFOTyPAVgenera la reduccin ms notoria en la ductilidad del material, siendo el valor ms cercano el correspondiente a lamuestratratadaconRTFOTyexposicinacmaradeenvejecimientode200h.

Figura2.Ductilidaddelasmuestras.

En cuanto al punto de ablandamiento medido para el ligante caracterizado, puede considerarse que losresultados sepresentansin modificacionesal ser sometida lamuestraal tratamientode envejecimientoacortoplazo(Figura3), loquepermitededucir queelensayoRTFOTnoafecta lapropiedaddel asfaltode retener los agregadoscuandoelbitumenestpresenteenunamezclaasfltica,situacinconcordanteconlarealidadsitenemosencuentaqueunamezclaasflticarecincolocadaencondicionesnormales,nopresentaproblemasdedesprendimientodeagregados,afectacinquesevadandoconelpasodeltiempoencondicionesdeservicio.


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Figura3.Puntodeablandamientodelasmuestras.

Continuandoconlarevisindelosvaloresdepuntodeablandamientomedidosseapreciacomoeltratamientode las muestras mediante la exposicin a la simulacin de condiciones ambientales en la cmara de envejecimiento,generaunaumentoen la temperaturadelensayo, loque reflejaelendurecimientoquepodraesperarseal someterelasfaltoalosprocesosdeenvejecimiento.

4.2Caracterizacinreolgica

LacaracterizacinreolgicamedianteDSRserealizconelfindeverificarelcomportamientodelasmuestrasen trminos de su ngulo de fase (d) y mdulo complejo (G*). En la Figura 4 se presentan los valores de mdulocomplejomedidosen las temperaturasdechequeopor fatiga,enestagrfica semezclan losdatosobtenidospara lasmuestras tratadas mediante los procesos de PAV, y exposicin UV de ligante original y tratado con RTFOTpreviamente.

Figura4.Mdulocomplejoparamaterialenvejecidoalargoplazo.

Elngulodefase(d)medidoespresentadoenlaFigura5,dondeseapreciacomoelasfaltotratadomediantePAV presenta el comportamiento ms rgido, con valores de ngulo de fase entre 41 y 48 para las temperaturasrevisadas.AsuvezseobservaquelosvaloresdedparalamuestratratadaconRTFOTyUV+200hsonsimilaresalosobtenidosparalamuestrasometidaaPAV.


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Figura4.Mdulocomplejoparamaterialenvejecidoalargoplazo.

UnavezmedidoselmdulocomplejoG*yelngulodefased secalculael factorde fatigaestablecidodeacuerdoalasrecomendacionesSHRP.ComosemuestraenlaTabla3eldesempeoafatigaesmejorparaelasfaltooriginal, identificado por la letra O, envejecido solamente con exposicin de 200h en la cmara de envejecimientopuesto que el factor de fatiga calculado si bien se encuentra en la temperatura de 13 oC al igual que la muestraRTFOT+UV50.

Tabla3.Factordefatigaparadiferentestratamientos

Tratamiento Temperatura(oC) G*(Pa) d(o) FactordeFatiga(Pa)

PAV 16 7,010,033 43.67 4,840,086O+UV50 16 4,121,552 55.76 3,407,377O+UV100 16 4,092,724 55.67 3,379,923O+UV200 13 5,333,867 49.54 4,058,402RTFOT+UV50 13 5,914,650 53.78 4,771,455RTFOT+UV100 19 5,414,200 49.26 4,102,194RTFOT+UV200 16 5,415,100 43.89 3,754,386

ParalasmuestrasoriginalesyenvejecidasalargoplazomediantetratamientoPAVyexposicinpor100henlacmaradeenvejecimiento,serealizlamedicindesuviscosidadmedianteelviscosmetrorotacionalobteniendolosvaloresquesepresentanenlaTabla4.Comoseobservalaviscosidadpresentaunaumentounaumentoenlosvaloresobtenidos para los dos procesos de envejecimiento comparados, lo que coincide con la tendenciade rigidizacin delligantemostradaenlascaracterizacionespresentadasenstedocumento.DelamismamaneracoincidiendoenqueelcomportamientoquesepresentparaeltratamientoalargoplazoconPAVpresentasimilitudconelcomportamientopresentadoenlamuestratratadaconenvejecimientoalargoplazomedianteexposicinalosrayosUVde100horas.

Tabla4.Viscosidadesrotacionalesparamuestrasdeterminadas

Temperatura(oC) Original(cP) Rtfot+Pav(cP) Rtfot+Uv100h(cP)100 2997.7 6468.3 6854.3110 1424.0 3785.7 2997.7120 746.3 1574.0 1451.3


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135 427.3 726.2 590.8140 275.0 512.6 430.0150 178.0 297.4 259.4163 119.0 187.9 164.8170 81.0 136 125.0180 60.3 92.0 86.1

5.DiscusinyConclusiones

El tratamiento de envejecimiento a corto plazo mediante el ensayo RTFOT desde el punto de vista de lascaracterizaciones fsicas convencionales resulta en cambios de poca magnitud para la prueba de punto deablandamiento,noobstantelasmagnitudespresentanunarelacindecambiomayorparalosresultadosdeductilidadydepenetracin.Encuantoavaloresdemdulocomplejoyngulodefasesepresentaunaumentodelprimerparmetroy una reduccin del segundo como muestra clara de la rigidizacin de los ligantes sometidos al tratamiento deenvejecimientodecortoplazo,similaresresultadosfueronreportadosporRuan(2003).

En los tratamientos mediante exposicin a rayos UVA se deduce con base en los resultados de los ensayosconvencionalesdecaracterizacin,quesepresentaunaposibleautoreparacindebidoaunaexposicinaloscambiosdetemperaturaenrangosbajosdurantelapermanenciadelamuestraenlacmaradeenvejecimiento,particularmenteenperiodoscortosdeexposicinde50h y 100h.Debe tenerseencuentaque la temperaturaen lacmaraduranteelproceso de radiacin se mantiene en 60 oC, y la muestra puede someterse a un ligero enfriamiento en el proceso decondensacin.EstosresultadossonunindicadordeladiferenciaquesepresentaenlosprocesosdetermooxidacinylosprocesosdeexposicinarayosultravioletacomoloconcluyeronBocciyCerni(2000).

Para los tratamientos de envejecimiento a largo plazo los resultados de viscosidad, y penetracin el ensayonormatizadoPAVpuedesercomparadoconun tratamientoRTFOTsumadoaunaexposicinarayosUVAdeentre100horasy200horas,siendoesteltimoelquearrojamsaproximacinenlosresultadosdelngulodefase,mientrasquepara losensayosdeviscosidad rotacional ymdulocomplejosepresentanmscercanos losvaloresmedidosdelmaterialexpuestoa100horasenlacmaradeenvejecimiento.

6.Agradecimientos

Agradecemosal laboratoriodeIngenieraCivilde laPontificiaUniversidadJaverianaascomoalIngenieroErnestoVillegasdelLaboratoriodeMaterialesyestructurasdelaUniversidaddeCostaRicaporelapoyoymanejodealgunasmuestras.

7.Bibliografia

Afanasieva,N.,&Cifuentes,M. (2002).Efectode la radiacinsolar enelprocesodeenvejecimiento en los asfaltos

colombianos.Presentedatthe4JornadasInternacionalesdelAsfalto.

Bell,A.(1989).Summaryreportontheagingofasphalt-aggregatesystems.TransportationResearchboard,10,10PM.

Bocci,M.,&Cerni,G.(2000).Theultravioletradiationinshort-andlong-termagingofbitumen.Proc.2ndEurasphalt

andEurobitumeCongress,Session(Vol.1,pgs.4958).

Cortes, C., Perez, A., Fermoso, J., Costa, A., Guisado, F., Esquena, J., & Potti, J. (2010). Envejecimiento Foto-

OxidativoDeBetunesAsflticos(pg.12).PresentedattheASEFMA.

Martnez, G., & Caicedo, B. (2005). Efecto de la radiacin ultravioleta en el envejecimiento de ligantes y mezclas

asflticas.


8

Montepara,A.,Santagata,E.,&Tosi.(1996).PhotochemicaldegradationofpurebitumenbyU.V.radiation.Presented

attheFirstEuroasphaltEurobitumeCongress,Strasbourg.

Reyes,O.,&Camacho,J.(2008).Efectodelaradiacinultravioletaenlaspropiedadesmecnicasydinmicasdeuna

mezclaasfltica.IngenieraeInvestigacin,28,22.

Rondn,H.,&Reyes,F.(2009).Influenceof theBogotenvironmentalconditionsonthemechanicalbehaviorofan

asphaltmixture.Revistaingenieradeconstruccin,24,195-207.

Ruan,Y.,Davison,R.R.,&Glover,C.J.(2003).Aninvestigationofasphaltdurability:Relationshipsbetweenductility

andrheologicalpropertiesforunmodifiedasphalts.PetroleumScienceandTechnology,21,231-254.

Surez Castillo, J. F., & Caicedo, B. (2005). Caracterizacin de asfaltos con tecnologa superpave y anlisis de

ahuellamiento.

Wang,J.,Pang,L.,Wu,S.,Liu,Q.,&Chen,Z. (2008).Effectofageingonfatiguepropertiesofasphalt.Journalof

CentralSouthUniversityofTechnology,15,111114.

Wu,S.,Pang,L.,Mo,L.,Chen,Y.,&Zhu,G.(2009).Influenceofagingontheevolutionofstructure,morphologyand

rheologyofbaseandSBSmodifiedbitumen.ConstructionandBuildingMaterials,23(2),10051010.

Yamaguchi, K., Sasaki, I., & Meiarashi, S. (2005). Photodegradation test of asphalt binder using pressed thin film

samples.CanadianJournalofCivilEngineering,32,1166-1169.

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