La modificación del Asfalto Asphalt Machineries and Equipment

 

Por muchos años, investigadores y desarrolladores han experimentado con la modificacion del asfalto, principalmente en asfaltos para usos industrial, agregando asbestos, fillers especiales, fibras vegetales, minerales y cauchos. 

La utilizacion de fibras celulósicas no modifica químicamente al bitumen pero interviene en las propiedades fisicas permitiendo incrementar el contenido del mismo. Tiende a espesar o conferir una reología al bitumen evitando que el mismo drene de la mezcla previo a la compactación. 

En los ultimos 20 años muchos investigadores han observado un gran espectro de materiales que modifican a los asfaltos utilizados en la construccion de caminos.

Para que un aditivo modificador sea efectivo para ser utilizado debe ser practico y economico, entonces debe ser:

  • Facilmente aplicable
  • Resistente a la degradacion a altas temperaturas
  • Mezclable con el asfalto
  • Mejorar la resistencia a la fluencia a altas temperaturas de los pavimentos sin hacer que el asfalto sea demasiado viscoso a las temperaturas de mezcla y de compactacion o demasiado "liviano" o quebradizo a bajas temperaturas
  • Costo efectivo

Los aditivos cuando son mezclados con el asfalto deberian tener las siguientes caracteristicas:
Mantener sus propiedades durante el almacenamiento, aplicacion y servicio
Ser capaz de ser procesado con equipamiento convencional
Ser fisica y quimicamente estable durante el almacenamiento, aplicacion y servicio
Asegurar un recubrimiento o viscosidad de aplicacion a condiciones normales de temperatura 

La obtencion de acido sulfhidrico a temperaturas por encima de los 150ºC se eleva rapidamente y por ende, no debe elevarse esa temperatura. Dependiendo de la constutucion quimica del asfalto, aproximadamente 15 a 18% de azufre puede ser dispersado en al asfalto y permanecer estable por un periodo prolongado. La influencia del contenido de azufre sobre el ensayo Marshall de un concreto asfaltico-arena usando un asfalto de penetracion 200 se muestra en la siguiente figura. Esto muestra un incremento sustancial en la estabilidad Marshall que se puede asegurar con la adiccion de azufre.

AzufreAditivo.gif (37756 bytes)

Aditivacion con Azufre


El azufre es utilizado en dos tipos de pavimentos asfalticos procesados y un numero de productos importantes. El azufre mezclado en el asfalto utiliza una pequeña cantidad de azufre como un diluyente del asfalto. 
Otro proceso utiliza una gran cantida de azufre donde este excedente se comporta como un filler moludable, produciendo una mezcla muy trabajable la cual puede ser extendida por maquinaria sin rodillo de compactacion y cuando se enfria es muy resistente a la deformacion.

 

 

 

La cantida de azufre que reaccionaria con el asfalto depende de la composicion y de la temperatura del asfalto. Se ha demostrado que el azufre reacciona predominantemente con la fraccion naftenica-aromatica del asfalto., ya sea adicionandose a la molecula, o oxidando este con la extraccion de hidrogeno como sulfuro de hidrogeno. Entre 119ºC y 150ºC, el punto de fusion de la fraccion mono del azufre, la reaccion es principalmente de adiccion, produciendo un incremento de la fraccion polar aromatica y un relativo pequeño cambio en las propiedades reologicas del asfalto.
Arriba de los 150ºC, el proceso de oxidacion aumenta rapidamente, produciendo un incremento en los asfaltenos y un efecto en las propiedades del asfalto similar al soplado.
La modificacion del asfalto por la adiccion de polimeros termoplasticos
Polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo, poliestireno y etileno vinil acetato (EVA) son los principales polimeros termoplasticos que han sido examinados para la utilizacion como modificadores de ligantes asfalticos. Como termoplasticos, estos son caracterizados por su ablandamiento en el calentamiento y el endurecimiento en el enfriamiento. Cuando se mezclan con el asfalto los polimeros termoplasticos, asociados a la temperatura ambiente, incrementando la viscosidad del asfalto. Inafortunadamente los polimeros no incrementan significadamente la elasticidad del asfalto y cuando son calentados ellos pueden ser separados, entregando una capa de dispersion en el enfriamiento. Polimero EVA a una concentracion al 5% en asfalto de penetracion 70/100 es muy popular.

Los copolimeros EVA son materiales termoplasticos con una estructura "randon" producida por la copolimerizacion del etileno y el acetato de vinilo. Copolimeros con bajo contenido de acetato de vinilo posee propiedades similares al polietileno de baja densidad. Si el nivel de acetato de vinilo incrementa, las propiedades del copolimero cambia.
Las propiedades de los copolimeros EVA son controladas por el peso molecular y el contenido del acetato de vinilo:

Peso Molecular:
Los pesos moleculares de algunos polimeros, son definidos en terminos de una propiedad alternativa, una practica standart de los EVA's es la medicion del "Indice de flujo de Fusion" (MFI), un ensayo de viscosidad que es inversamente relacionado al peso molecular. Es decir que cuando mas alto es el MFI, mas bajo es el peso molecular y la viscosidad, analogicamente similar al ensayo de penetracion del asfalto. 
Contenido del acetato de vinilo:
Para apreciar los principales efectos del acetato de vinilo sobre las propiedades del ligante modificador, usualmente se considera una simple ilustracion de su estructura, tal como se muestra en la siguiente figura. Esto muestra como los segmentos regulares de la cadena del polietileno pueden unirse y formar lo que se denomina regiones cristalinas; tambien se muestra como los grupos vinil acetato brindando una region no-cristalina y amorfa-gomosa. La region cristalina es relativamente  rigida y brinda un efecto reforcador, mientras que la region amorfa es gomosa. Cuanto mas grupos acetatos de vinilo, mas alta es la proporcion de regiones gomosas e inversamente menor es la proporcion de las regiones cristalinas. 

Estructura del EVA.gif (40123 bytes)
Existe un amplio rango de copolímeros EVA disponibles, los cuales están especificados por el MFI y el contenido de Acetato de Vinilo. Por ejemplo un EVA con un MFI de 150 y un contenido de vinil acetato de 19 es el grado 150 / 19. Del amplio rango disponible entre 150/19 y del menos extendido que es el 45/33 están los grados más populares utilizados en mezclas con asfalto de penetración 70. Los copolímeros de EVA si dispersan fácilmente y tienen buena compatibilidad con el Asfalto, los EVA son térmicamente estables a la temperatura de mezcla del asfalto.

EVA Wheel Tracking.gif (36937 bytes)

Durante el almacenamiento sin recirculación, alguna separación puede ocurrir y es en consecuencia recomendable que el producto mezclado sea totalmente recirculado antes de su uso. La tabla abajo muestra algunos cambios típicos en la penetración y el punto de ablandamiento cuando se mezcla EVA al 5% en asfalto de penetración 70 y también las propiedades del ensayo Marshal y del "Wheel Tracking" en concretos asfálticos manufacturados en caliente usando modificadores.

Ligante Asfaltico

 Propiedades del Ligante Propiedades Marshall

Wheel Tracking rate a 45ºC, mm/h
Pen  25ºC 1/10 mm Punto Abland., ºC Estabilidad, kN Fluencia, mm Quotient, kN/mm
Asfalto pen 70 68 49.0 6.3 3.3 1.9 4.4
Asfalto pen 70 + 5% EVA 150/19 50 65.5 7.6 3.2 2.4 0.8
Asfalto pen + 5% EVA 45/33 57 58.0 8.0 2.7 3.0 1.0

La modificacion del asfalto por la adiccion de cauchos termoplasticos

De los cuatro principales grupos de elastómeros termoplásticos, (poliuretano, polieter - poliester copolimeros, copolimeros olefinicos, y copolimeros estirenicos en bloque), este ultimo es el que ha presentado el más importante potencial cuando se mezcla con el asfalto. Los copolimeros estirenicos en bloque, comunmente denominados " Cauchos Termoplásticos", pueden ser producidos por una sucesiva operación secuencial de la polimerización del estireno - butadieno - estireno (SBS) ó estireno - isopreno- estireno (SIS). Alternativamente un di-boque iniciador puede ser producido por sucesivas polimerizaciones del estireno y un bloque-medio monómero, seguido por una reacción con un agente copulante. Por esto, no sólo copolímeros lineales y también copolímeros multi ramificados se producen a menudo referidos como forma de estrella, radiales ó copolímeros ramificados. Los cauchos termoplásticos obtienen su resistencia y su elasticidad de un entrecruzamiento físico de las moléculas en una red tridimensional. Esto se produce por la aglomeración de los bloques finales de poliestireno en dominios separados. A temperaturas por encima de punto de transición del poliestireno (100ºC), el poliestireno se ablanda y los dominios se debilitan y se disociarán bajo esfuerzos permitiendo de esta forma una fácil disolución. Con el enfriamiento los dominios se reasociaran, la resistencia y la elasticidad se restauran nuevamente. Por este motivo es un material termoplástico.

TRLinealesRamificados.gif (53533 bytes)

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La influencia de la constitución del Asfalto en las mezclas de los cauchos termoplasticos/asfalto

Los asfaltos son mezclas complejas las cuales pueden, en una extensión limitada, dividirse en grupos de moléculas las cuales tienen estructuras comunes:

Saturados
Aromáticos
Resinas 
Asfaltenos

Influencia_const_asfalto_con_tr.gif (31954 bytes)

 Polimerización_TR.gif (32249 bytes)
Los saturados y los aromáticos pueden ser vistos como "Carriers" de los compuestos polares aromáticos que son las resinas y los asfaltenos. Los compuestos polares aromáticos son responsables de las propiedades viscoelásticas del asfalto a temperatura ambiente. Esto se debe a la asociación de las moléculas polares que tienen largas estructuras, en algunos casos parecidas a redes tridemensionales, lo que se denomina Asfalto tipo "Gel". El grado al cual esta asociación toma lugar depende de la temperatura, distribución del peso molecular, la concentración de los polares aromáticos y del poder de disolución de los saturados y aromáticos en la fase malténica. Si la concentración y peso molecular de los asfaltenos es relativamente baja el resultado será un Asfalto tipo "Sol".

La adición de cauchos termoplásticos con un peso molecular, similar ó más alto que el de los asfaltenos desnivela la fase equilibrada. El polímero y el asfalteno compiten por el poder solvente de la fase malténica y si esta es insuficiente puede ocurrir una separación de fases; esto pude demostrarse por un simple ensayo de almacenamiento en caliente. Los principales factores que influyen en la estabilidad al almacenamiento son:
La cantidad y peso molecular de los asfaltenos
La aromaticidad de la fase malténica
La cantidad de polímero presente
El peso molecular y estructura del polímero 
La temperatura de almacenamiento

Asfalto_vs_Performance_Pavimento.gif (51459 bytes)

RelacViscvs.Temp.gif (48015 bytes)

La fabricación de mezclas cauchos termoplasticos/asfalto:
Para asegurar la calidad de la dispersión del polímero del asfalto depende de un número de factores pero fundamentalmente depende de la velocidad de corte aplicada por el mezclador. Cuando el polímero es agregado al asfalto caliente, el asfalto inmediatamente comienza a penetrar en las partículas del polímero, causando  que los dominios estilénicos del polímero se comiencen a disolver y derretir. Cuando esto comienza a ocurrir el nivel de corte ejercido sobre las partículas derretidas es crítico, y una dispersión satisfactoria se asegura con un tiempo del mezclado adecuado. Por esto, se requieren mezcladores de alto corte para dispersiones de cauchos termoplásticos en el asfalto.   
La modificacion del asfalto por la adiccion de caucho
Polibutadieno, Poliisopreno, Caucho Natural, Cloropreno, Caucho Estireno Butadieno han sido utilizados con el asfalto y sus efectos son principalmente el incremento de la viscosidad. En algunas instancias los cauchos han sido utilizados en un estado vulcanizado, por ejemplo neumaticos reciclados pero dificultosos de poder ser dispersados en el asfalto requiriendo altas temperaturas y largos tiempos de mezclado, pudiendo resultar en mezclas heterogeneas actuando el caucho como un filler flexible. 
La modificacion del asfalto por la adiccion de compuestos organicos de manganeso
El uso de compuestos organicos de manganeso en el asfalto modifica y mejora los esfuerzos de los concretos asfalticos, ya sea solo o en combinacion con compuestos cobalticos y de cobre. El uso del manganeso modifica los asfaltos y los concretos mejorando la suceptibilidad termica de las mezclas como por ejemplo la estabilidad Marshall, la resistencia a la deformacion permanente y el Stiffness dinamico. Para manejar los compuestos de Manganeso deben dispersarse rapidamente en el asfalto con un carrier de aceite como mezclador.  

Mas información en ingles en:
Additive Blenders Dispersors Polyemer Modified Bitumen Fillers Blenders
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