membranas impermeabilizantes prefabricadas base asfalto

MEMBRANAS IMPERMEABILIZANTES PREFABRICADAS BASE
ASFALTO MODIFICADO CON POLÍMEROS UN MATERIAL DE ALTA
INGENIERÍA
Carlos R. Canales V.
Ricardo Blanco P.
Grupo Industrial Alce S.A. de C.V.
Resumen
El asfalto fue uno de los primeros materiales termoplásticos usados por el humano y ha sido
empleado durante muchos años como un producto impermeable. Sin embargo el asfalto puro
está sujeto a un deterioro rápido debido a las variaciones bruscas de temperatura y al ataque
de la luz solar.
Así mismo, debido a su naturaleza termoplástica el asfalto tiene una importante desventaja:
“Es muy sensible a la temperatura”. En climas fríos es duro y quebradizo, mientras que en
climas cálidos es blando y fluye fácilmente.
Debido a lo anterior, se han probado diferentes caminos tratando de mejorar sus
propiedades, para minimizar la desventaja mencionada. En este trabajo se describe de
manera genérica, ¿Qué es el asfalto, desde el punto de vista químico y reológico?; las
formas en las que ha sido modificado a través del tiempo; también se muestra como son
mejoradas las propiedades típicas como ablandamiento, penetración y viscosidad, así como
algunas propiedades reológicas tales como G* y ángulo fase, muy importantes para el
planteamiento del programa SHRP.
Son mencionados también ¿Qué polímeros son los más recomendados en la modificación
asfáltica y por qué?; se analiza brevemente el concepto compatibilidad físico/química de la
mezcla Asfalto- Polímero y la importancia de ésta, en la generación de una microestructura
adecuada de la cual dependen las propiedades. Finalmente se muestra que para conseguir
un Asfalto Modificado óptimo para fabricar membranas impermeabilizantes con garantías
desde 12 a 15 años, es muy importante cuidar el tipo de asfalto, el tipo y el porcentaje de
polímero, la compatibilidad entre ellos, la tecnología de manufactura y la historia térmica de
los materiales.
Introducción
Mientras que muchos pueden argumentar o discutir la teoría de Darwin acerca de la
evolución del humano, pocos pueden refutar el hecho de que la tecnología desarrollada en
este siglo ha tenido una tremenda evolución.
La evolución de los recubrimientos para techos también ha tenido un desarrollo tecnológico
rápido e importante sobre todo en los últimos 20 años, en donde se han explorado diferentes
caminos con el fin último de mantener seco el interior de las edificaciones. Una de las
innovaciones en el asfalto modificado con polímeros. La idea atrás del producto es simple:
combinar un agente impermeabilizante efectivo como el asfalto con polímeros de alto
rendimiento para dar como resultado un material compuesto de Alta Ingeniería.
El asfalto se ha modificado con el tiempo de varias formas:
1) Oxidándolo: que en realidad es una operación combinada de oxidación y remoción de
aceites en donde el ablandamiento cambia de 48-50ºC a 98-100ºC, pero queda muy
rígido.
2) Catalizándolo: Con el objetivo de facilitar la reacción de oxidación sin “secar” demasiado
al asfalto, con ello el material mejora el ablandamiento, sin quedar muy rígido.
3) Modificándolo con polímeros: En la década de los 60’s
modificación con poliolefinas termoplásticas tipo APP con
propiedades del asfalto. Posteriormente en la década de los
modificación en Alemania. En ambos casos se mejoran
quedando el material con una excelente flexibilidad.
surge en Italia la primera
el objetivo de mejorar las
70`s se aplico el SBS para
las propiedades globales
Por otro lado, la importancia de modificar el asfalto con polímeros para mejorar sus
propiedades para aplicación en pavimentos ha sido tan seriamente tomada, que en U.S.A
desde hace 10 años aproximadamente, y con una inversión de 150 millones de dólares, se
inicio un programa de optimización en la calidad y uso del asfalto conocido como SHRP
(Strategy Highway Research Program), que va encaminado a la caracterización reológica de
asfaltos y asfaltos modificados para determinar el grado de aplicación o comportamiento
(Performance Grade PG) en pavimentos. De la misma forma y por extensión se pude
establecer el PG para membranas impermeabilizantes y así poder contestar las siguientes
preguntas:
1)
2)
3)
¿Qué tipo de asfalto necesito para esta aplicación?
¿Cuál asfalto está disponible en el mercado?
¿Cómo obtengo el asfalto que necesito para esta aplicación?
Las dos primeras preguntas ya pueden ser contestadas con cierta precisión para cuestión
pavimentos por medio de SHRP, sin embargo la última todavía requiere de un conocimiento
básico del comportamiento de mezcla, a diferentes niveles de modificación. Para membranas
existen también algunos criterios generales para la selección de asfalto y del polímero para la
aplicación deseada y así poder contestar estas interrogantes. Este trabajo muestra un poco
de la tecnología actual del asfalto modificado aplicado principalmente a impermeabilizantes.
Compatibilidad asfalto – copolímero
Generalidades del asfalto
El asfalto puede ser descrito como una mezcla compleja de hidrocarburos de diferente
naturaleza y propiedades. Dependiendo del origen del crudo y de la refinación, la
composición y las propiedades químicas del asfalto son diferentes.
Debido a esta complejidad la caracterización química del asfalto se da en términos de 2
fracciones genéricas:
1) La primera se refiere a la fracción pesada, denominada como asfaltenos y 2) La segunda
es la fracción ligera, denominada como maltenos. En la FIGURA 1 se amplía y se describe
un poco más esta caracterización.
1)
ASFALTENOS
(insolubles en heptano)
Los Asfaltenos son productos cuyo peso molecular oscila de 4000 a 7000, son sólidos a
temperatura ambiente y su naturaleza química consiste en hidrocarburos aromáticos polares
que contienen heteroátomos y elementos metálicos con alto grado de asociación.
MALTENOS
(solubles en heptano)
Los maltenos son la fracción ligera, con pesos moleculares de 700 a 4000. La parte
malténica puede subdividirse en dos fracciones principales, siendo estas las siguientes:
2)
RESINAS
Las resinas tienen pesos moleculares entre 2000 y 4000 y son sustancias solubles en
disolventes clorados y sulfurados, que actúan como agentes peptizantes de los asfaltenos,
su naturaleza química consiste en hidrocarburos aromáticos conteniendo heteroátomos,
bases nitrogenadas y en general los componentes son polares; a las resinas también se les
conoce simplemente como Aceites Aromáticos (Polares)
ACEITES
Son productos con peso molecular entre 700 y 2000. Los aceites que pueden ser de tipo:
3)
Aromático-Nafténico
Son productos solubles en tolueno/metanol, con menor peso molecular que oscila entre los
1000 y 2000 con naturaleza química de hidrocarburos aromáticos no polares, es por ello que
también es conocida esta fracción como aceites aromáticos no polares o simplemente como
Aceites Nafténicos.
4) Saturado o Parafínico
Por último la fracción de aceites de menor peso molecular que oscila entre los 600 a 1000
son aceites saturados o aceites parafínicos; son sustancias solubles en n-heptano y están
constituidas principalmente de por hidrocarburos del tipo alifático.
FIGURA 1. Composición química del asfalto
Generalidades de polímeros compatibles con asfalto
El primer criterio de compatibilidad entre el asfalto y el polímero esta basado en el parámetro
de solubilidad de Hildebrand. Si los valores de este parámetro entre componentes son del
mismo orden de magnitud el sistema es compatible; en este caso polímeros que estén entre
16 y 18 son los adecuados para modificar asfalto cuyo valor promedio Hildebrand es:
AC-5 = 17.6 y AC-20 = 17.9
En general existen tres clases de polímeros que se encuentran en este intervalo de
solubilidad y que han mostrado ser los más eficaces en la modificación asfáltica.
1) Termoplásticos
2) Elastómeros
3) Elastómeros
Termoplásticos
de copolímeros
en bloque
Donde
APP
EVA
EPDM
SBS
=
=
=
=
como el APP y EVA
como el EPDM o HULE NATURAL
como el SBS
AMORFO POLI PROPILENO
ETIL VINIL ACETATO
ETIL PROPIL DIENO MONOMERO
ESTIRENO BUTADIENO ESTIRENO
Estos materiales poseen los requerimientos termodinámicos óptimos para modificar
efectivamente al asfalto; la característica primordial que deben poseer es que facilite la
formación de estructuras reticuladas.
El polímero (el material modificador) pueden ser miscible, parcialmente compatible o
incompatible con el asfalto. Cuando la mezcla resulta incompatible su apariencia es la de dos
fases, sin cohesión, ni ductibilidad (las fases se pueden observar a simple vista); en cambio
cuando hay compatibilidad parcial la segregación de fases es uniforme (la observación es
con microscopio óptico de fluorescencia); si la mezcla es 100% compatible se le denomina
miscible y lo que tenemos es un material con mezclado a nivel molecular (la observación es
con un microscopio electrónico). En la FIGURA 2 se muestra un diagrama de composición
química de asfalto mostrando zonas de compatibilidad para SBS Y APP y la ubicación de los
Asfaltos Nacionales.
FIGURA 2. Zonas de compatibilidad asfalto-polímero
Polímeros ligeramente compatibles o incompatibles, requieren de un proceso térmico o
químico para tener éxito en la modificación. Un polímero puede ser incompatible con la
mayoría de los asfaltos pero compatible con un asfalto en particular. La compatibilidad es por
tanto función del tipo de asfalto, del tipo y porcentaje de polímero. Esta compatibilidad puede
ser mejorada con compatibilizadores y/o estabilizadores. De los tres casos de compatibilidad
mencionados, el que mejora y conserva más las propiedades de un asfalto es el
parcialmente compatible debido precisamente a la microestructura formada.
En la FIGURA 3 se muestran algunas microfotografías de mezclas asfalto-polímero.
FIGURA 3. Galería de microfotografías asfalto-polímetro
Resultado de mezcla asfalto-polímero y resultados en membranas
impermeabilizantes
Como ya se comentó las variables importantes a estudiar son el tipo de asfalto (duro tipo AC20 o blando tipo AC-5), la cantidad de polímero y tipo (APP, SBS, EVA) y la compatibilidad.
En este trabajo solo se muestran resultados de SBS y APP, los cuales fueron seleccionados
cuidadosamente para el estudio y se reportan las pruebas físicas (Ablandamiento,
Penetración Viscosidad y Flexibilidad en frío) en las FIGURAS 4 y 5; relaciones esfuerzo
deformación y Módulo de Young E en la FIGURA 6 y Modulo complejo G* en la FIGURA 7,
de mezclas con AC-20 con diferentes niveles de polímero.
Como se puede observar en el conjunto de gráficas de las FIGURAS 4 y 5 todas las
propiedades se mejoran conforme se aumenta la cantidad de polímero. Por ejemplo el
Ablandamiento de la mezcla Asfalto-SBS de la FIGURA 4 aumenta de forma casi lineal de
0% a 8-10% de polímero y después su razón de cambio es menor en el intervalo de 10 a
20%. Así mismo en la viscosidad se nota un aumento de regimen en la región de 8-10% de
SBS, al igual que la penetración alrededor del 7-8%. De igual forma la flexibilidad en frío
sufre notable desarrollo en la misma región (7-8%).
Lo anterior es una evidencia palpable de que es la región entre 8-10%, la mezcla sufre una
inversión de fases es decir la parte elástica (SBS) empieza a dominar la parte viscosa
(ASFALTO) y el sistema presenta una microestructura tipo panal de abejas, como el
mostrado en la FIGURA 3, con la mezcla parcialmente compatible. La estructura anterior no
siempre se consigue aún con las mismas cantidades de asfalto y SBS, esto solo es así
cuando los componentes son parcialmente compatibles.
En la FIGURA 5 están los gráficos correspondientes para las mezclas con APP, aquí
nuevamente la evidencia de la inversión de fases se da en la región entre 18 y 25% en donde
la mayoría de las propiedades ven un aumento considerable en sus resultados.
Por otro lado en la TABLA 1 se indican algunos resultados obtenidos en la estabilización de
mezclas a baja concentración de SBS (2% a 3%) con algunos aditivos comerciales, que
permiten aumentar la compatibilidad y así inhibir o disminuir los efectos de envejecimiento.
La prueba de estabilización consiste en colocar el sistema asfalto-SBS en una estufa a 160ºC
durante 48hrs. sin agitar y así poder observar si hay separación de los componentes,
normalmente cuando hay separación el polímero emigra a la superficie y el asfalto al fondo,
de tal manera que midiendo las propiedades arriba y debajo de la mezcla y comparando los
valores, es posible percatarse de la separación. Como es factible observar los valores del
sistema sin estabilización son muy diferentes arriba y abajo; mientras en el sistema
estabilizado los valores son muy parecidos, así mismo en la FIGURA 3 se muestran las
microfotografías de un sistema estabilizado contra otro que no lo está, desde luego la
formación de una red entre el asfalto y el SBS es la que ha estabilizado al sistema.
La adición de polímero al asfalto también mejora las propiedades mecánicas, tal como se
presencia en las curvas de esfuerzo-deformación de la FIGURA 6 de varias mezclas, aquí es
muy notoria la elasticidad que va adquiriendo el sistema a través de los valores del Módulo
de Young, que van desde 0.1 MPa para el asfalto puro, hasta 52 MPa de SBS puro.
Otro conjunto de propiedades que se buscan mejorar son las reológicas, representadas por
el Modulo Complejo G*, en la FIGURA 7 está mostrado el comportamiento de este Módulo
como una función de la cantidad de SBS, medida a una temperatura de 60ºC; aquí es muy
importante hacer notar que el incremento en este Módulo es muy grande conforme aumenta
la cantidad de SBS, puesto que la escala es logarítmica.
Algo que es importante mostrar es el comportamiento en esfuerzo-deformación de un asfalto
modificado con diferentes materiales, en la FIGURA 8 se tiene este comparativo y es notoria
la gran elasticidad que tiene el SBS frente a los modificadores. Así mismo en la FIGURA 9 se
comparan algunas propiedades de membranas hechas con asfaltos modificados con los
mismos componentes de la FIGURA 8.
Finalmente se ilustra en la FIGURA 10 un diagrama de flujo para elaborar asfalto modificado
y membrana impermeable mostrando los puntos principales de muestreo y las normas
internacionales que se usan para un Control Total de Calidad de los productos fabricados.
Conclusiones
Las membranas impermeabilizantes prefabricadas elaboradas con asfalto modificado con
polímero, son las que pueden satisfacer los requerimientos modernos de construcción por
que tienen:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Elasticidad más alta
Ductilidad más alta
Resistencia a la fluidez a altas temperaturas
Flexibilidad a bajas temperaturas
Estabilidad frente al medio ambiente (garantías de 12 a 15 años)
Aplicación más limpia y sencilla que otros sistemas
Lo anterior no es producto de la casualidad, sino de la investigación y desarrollo de una
tecnología avanzada.
Referencias
1.- “Kraton – Thermoplastic Rubber in Asphalt Products” Technical Bulletin SC: 57-84, Shell
Chem. Co. (1987)
2.- “Asphalt Modification with Solprene Elastomers and Plastomers Improve Both High and
Low Temperature Performance”. Technical Bulleting 306, Phillips Petro. Co. Rubbers
Chem. (1972)
3.- King, G., Brulé, E., “Preparation and Evaluation of Polymer Modified Asphalt Binders” Elf
Asphalt Lab., Terre Haute Indiana, presented of a Meeting of the Rubber Div., ACS, Las
Vegas (1990)
4.- Paul, D., Newman, S., “Polymer Blends”, Academic Press, (1978)
5.- Corbett, L.W., “Composition of Asphalt Based on Generic Fractionation, Using ElutionAdsorption Chromatography”, Analytical Chemistry, vol. 36, pag. 576 (1969)
6.- Bouldin, M., Collins, A., “Rheology and Microstructure of Polymer Asphalt Blends”, Shell
Development Co., presented of a meeting of the Rubber Division, ACS, las Vegas (1990)
7.- Cogneau, P., Goose, S., Thyrion, F., “Method for Evaluation of Bitumen Based on the
Characteristics of Bitumen-Polymer Mixes”, Technical Bulleting from Alphamin Co. (1991)
8.- Ferry, J.D., “Viscoelastic Properties of Polymers”, third edition John Wiley, N.Y. (1980)
9.- Blanco, R. “Estudio Reológico Estructural del Composito Asfalto-Copolímero de SBS en
Amplio Intervalo de Concentración” Tesis Doctoral (1999)
Propiedades Asfalto puro AC-20
Asfalto Modificado
no - estabilizado
Asfalto Modificado
estabilizado
arriba
abajo
arriba
abajo
arriba
abajo
Abland
(ºC)
55
55
90
61
78
77
Pen.
(dmm)
58
58
37
25
25
26
3406
1203
3937
3719
547
172
422
406
Visco.
500
500
135ºC
(cps)
Visco.
--------180ºC
(cps)
aditivo 1 – Resina tipo Fenólica
Propiedades Asfalto puro AC-20
Asfalto Modificado
no - estabilizado
Asfalto Modificado
estabilizado
arriba
abajo
arriba
abajo
arriba
abajo
Abland
(ºC)
55
55
90
61
80
80
Pen.
(dmm)
58
58
37
25
32
32
Visco.
135ºC
(cps)
500
500
3406
1203
2404
2872
Visco.
180ºC
(cps)
-----
-----
547
172
319
320
aditivo 2 – Resina tipo Poliéster
TABLA 1. Propiedades del Asfalto Modificado al 3% con SBS no estabilizado y estabilizado
con aditivos.