LABORATORIO Emulsiones Asfálticas PARTE IV EMULSIONES ASFÁLTICAS Tutor: Gioconda G. de Celis Tesista: Yucely Albornoz Marzo 2014 Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas PARTE IV EMULSIONES ASFÁLTICAS 4.1. INTRODUCCIÓN Desde el punto de vista físico–químico, se definen las emulsiones asfálticas, como una dispersión fina más o menos estabilizada de un líquido en otro, no miscibles entre sí. Una emulsión asfáltica está compuesta de tres ingredientes básicos: asfalto, agua y un agente emulsificante. En algunos casos el agente emulsificante puede contener un estabilizador. 4.2. INGREDIENTES DE LA EMULSIÓN ASFALTO: el cemento asfáltico es el ingrediente básico de una emulsión, y en la mayoría de casos, constituye el 55 al 70 por ciento de la misma. AGUA: ella humedece y disuelve; se adhiere a las demás sustancias, y modera las reacciones químicas. AGENTES EMULSIFICANTES: las propiedades de una emulsión asfáltica dependen principalmente de la química usada como emulsificante, esa química es llamada Surfactante, lo que determina que la emulsión sea clasificada como Aniónica, Catiónica ó No iónica. Los emulsificantes son agentes tenso-activos o surfactantes provenientes de los jabones, arcillas o resinas, y son productos patentados. Existen dos tipos de emulsiones según la concentración de cada una de esas fases: una emulsión directa y otra inversa (véase figura N°1). Emulsión directa: dónde la fase asfalto está dispersa en la fase acuosa. (más agua que asfalto). Emulsión inversa: donde la fase acuosa está dispersa en la parte asfalto (más asfalto que agua). Universidad De Los Andes 141 Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas Betún fase dispersa Agua fase continua Emulsión Directa Agua fase dispersa Betún fase continua Emulsión Inversa Figura N°1. Esquema de Emulsión Directa y Emulsión Inversa Por razones de simetría en la acción capilar, los glóbulos de asfalto de la emulsión son de forma esférica. Es preferible el empleo de las emulsiones directas por su baja viscosidad a temperatura ambiente. El tamaño promedio del glóbulo del asfalto es de 1 a 10 micras, tan pequeño que hace aumentar la superficie de contacto del asfalto. Esto favorece el mojado, repartición y cohesión con el material pétreo (véase figura N°2). GLÓBULO DE ASFALTO Parte Apolar Parte Polar Figura N° 2. Glóbulos de Asfalto en la Emulsión Una característica importante de las emulsiones es que se preparan con una carga dieléctrica de signo contrario a la del agregado con que serán mezclados; así se pueden clasificar en: ácidas o catiónicas (+), alcalinas o aniónicas (-) y No-iónicas. Esta clasificación está basada en una de las leyes básicas de la electricidad. 142 Facultad de Ingeniería – Escuela de Civil Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas En la práctica, las emulsiones más utilizadas para la construcción y mantenimiento de carreteras son las Aniónicas y las Catiónicas como se muestra en la figura N° 3. Emulsión Catiónica Emulsión Aniónica Figura N° 3. Esquema de un Glóbulo que forma una emulsión Aniónica y una Catiónica. 4.3. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA VELOCIDAD CON QUE SE ROMPEN LAS EMULSIONES (SEPARACIÓN DE AGUA DEL ASFALTO) 4.3.1. Emulsiones de Rotura rápida (RS) ó (RR): poca facilidad para mezclarse con un agregado. 4.3.2. Emulsiones de Rotura Media (MS) ó (RM): permite mezclarla con un agregado grueso. 4.3.3. Emulsiones de Rotura Lenta (SS) ó (RL): permite mezclarla con un agregado fino. En las tablas N° 1 y 2, se describen las especificaciones según la Norma venezolana COVENIN para las emulsiones Catiónicas y Aniónicas. Universidad De Los Andes 143 Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas Tabla N° 1. Especificación COVENIN 1442, para Emulsiones Asfálticas Aniónicas. TIPO ENSAYOS Rotura Rápida En Emulsión: Viscosidad Saybolt-Furol a 25°C, s Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C, s Sedimentación, 5 días (%) Demulsibilidad, (%) (35ml. 0.02 NCaCl2) Mezclado con cemento, (%) Tamizado, (retenido en el tamiz N°20), (%) Residuo de Destilación, (%) Sobre Residuo de Destilación: Penetración, 25°C, 100 g, 5s. Ductibilidad a 25°C, (cm) Rotura Media RS-1 RS-2 MS-1 MS-2 MS-2h 20-100 - 20-100 100 100 - - - - 74-400 SS-1 SS-1h MÉTODO DE ENSAYO 20-100 COVENIN 1017 - - COVENIN 1017 -5 -5 COVENIN 1017 20-100 -5 -5 -5 -5 -5 60 + 60 + - - - - - COVENIN 1017 - - - - - -2,0 -2,0 COVENIN 1017 -0,10 -0,10 -0,10 -0,10 -0,10 -0,10 -0,10 COVENIN 1017 55+ 63+ 55+ 65+ 65+ 57+ 57+ COVENIN 1017 40-90 100-200 40-90 COVENIN 1105 100-200 100-200 100-200 100-200 Solubilidad en CCL, (%) Rotura Lenta 40+ 40+ 97,5+ 97,5+ 40+ 40+ 97,5+ 97,5+ 40+ 40+ 40+ COVENIN 1123 97,5+ 97,5+ 97,5+ COVENIN 1161 (Fuente: “Norma Venezolana COVENIN, 1383) Tabla N° 2. Especificación COVENIN 1383, para Emulsiones Asfálticas Catiónicas. TIPO ENSAYOS Rotura Rápida En Emulsión: Viscosidad Saybolt-Furol a 25°C, s Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C, s Sedimentación, 5 días (%) Demulsibilidad, (%) (35ml. 0.02 NCaCl2) Cubrimiento y resistencia del Agua Cubrimiento: Agregado Seco Rotura Media CES-2 CMS-2 - - - - 20-100 20-100 COVENIN 1017 50-400 50-450 - - COVENIN 1017 100-400 SS-1 -5 -5 -5 -5 -5 -5 COVENIN 1017 40 + 40 + - - - - COVENIN 1017 - - Buena Buena - - Cubrimiento: Después del Riego - - Regular Regular - - COVENIN 1017 Cubrimiento: Agregado Húmedo - - Regular Regular - - COVENIN 1017 Positivo Positivo Positivo Positivo Positivo Positivo COVENIN 1017 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 COVENIN 1017 - - - - -2,0 -2,0 COVENIN 1017 -3 60+ -3 65+ -12 65+ -12 65+ 57+ 57+ COVENIN 1017 40-90 COVENIN 1105 Carga de Partícula Tamizado (retenido en el tamiz N°20) (%) Mezclado con cemento, (%) Destilación Aceite Destilado por volumen, Total de emulsión (%) Residuo, (%) Sobre Residuo de Destilación Penetración, 25°C, 100 g, 5s. Ductibilidad a 25°C, (cm) COVENIN 1017 COVENIN 1017 100-250 Solubilidad en CCL, (%) 100-250 100-250 40-90 100-250 40+ 40+ 40+ 40+ 40+ 40+ COVENIN 1123 97,5+ 97,5+ 97,5+ 97,5+ 97,5+ 97,5+ COVENIN 1161 (Fuente: “Norma Venezolana COVENIN, 1383) 144 SS-1h MÉTODO DE ENSAYO CRS-1 20-100 CMS-2h Rotura Lenta Facultad de Ingeniería – Escuela de Civil Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas La ASTM y AASHTO han desarrollado especificaciones normalizadas para los grados de emulsión como se muestra en la tabla N° 3: TABLA N° 3, ESPECIFICACIONES ASTM Y AASHTO EMULSIONES ANIÓNICAS O NO-IÓNICAS (ASTM D977, AASHO M140) EMULSIONES CATIÓNICAS (ASTM D2397, AASHO M208) RS-1 CRS-1 RS-2 CRS-2 MS-1 - MS-2 CMS-2 MS-2h CMS-2h HFMS-1 - HFMS-2 - HFMS-2h - SS-1 CSS-1 SS-1h CSS-1h (Fuente: “Manual Básico de Emulsiones Asfálticas, serie N°19, ASPHALT INSTITUTE, pág. 6) Las emulsiones se identifican con una serie de números y letras que aluden a la viscosidad de las emulsiones y a la consistencia de la base de cemento asfáltico. La letra “C”, encabezando el tipo de emulsión, identifica a una emulsión catiónica, su ausencia identifica a las emulsiones aniónicas, esto según las especificaciones de ASTM Y AASHTO. Por ejemplo RS-1 (RR-1) es una emulsión Aniónica y CRS-1 (CRR-1) es una emulsión Catiónica. Los números en la clasificación indican la viscosidad relativa de la emulsión. Por ejemplo, una emulsión MS-2 (RM-2) es más viscosa que una emulsión MS-1 (RM-1). La letra “h” incluida en algunos grados significa simplemente que la base asfáltica es más consistente (dura). La letra “S” significa que la base asfáltica es más blanda. Universidad De Los Andes 145 Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas Las letras “HF” que preceden algunos de los grados de emulsiones aniónicas indican alta flotación, medida con el ensayo de flotación. 4.4. FABRICACIÓN El equipo de producción para la fabricación de emulsiones es muy sencillo y fácil de conseguir, el inconveniente seria la formulación de las emulsiones que deben adaptarse a los materiales pétreos. 4.5. ALMACENAMIENTO Pueden almacenarse en fosas, tanques enterrados, a nivel, entre otros. Las precauciones que se deben tomar son que los depósitos deben estar libres de grandes natas de otros productos asfálticos, y no contaminados con materiales extraños o emulsiones diferentes a la que se va almacenar. Se deben identificar el tipo de emulsión a almacenar. Forma de Neutralizar la Acción de Residuos Figura N°4 de una Emulsión Aniónica en un Tanque Forma de Neutralizar la Acción de Residuos de una Emulsión Catiónica en un Tanque 4.6. USOS GENERALES 4.6.1. Emulsiones de Rotura Rápida: se diseñan para reaccionar rápidamente con el agregado y pasar del estado de emulsión al del asfalto. Son utilizadas para aplicaciones de riego, tales como sellos con agregados, sellos de arena, entre otros. 4.6.2. Emulsiones de Rotura Media: se diseñan para mezclarlas con agregado grueso. Debido a que estos grados no rompen inmediatamente en contacto con el agregado, 146 Facultad de Ingeniería – Escuela de Civil Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas las mezclas que la utilizan permanecen trabajables por unos minutos. Son muy utilizadas en plantas móviles. 4.6.3. Emulsiones de Rotura Lenta: están diseñadas para máxima seguridad en el mezclado. Son utilizadas con agregados densamente gradados de alto contenido de finos. En la tabla N° 4 se muestran los usos más frecuentes de las emulsiones. 4.7. ENSAYOS NORMALIZADOS DE CALIDAD DE LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS: 4.7.1. Peso Específico. La determinación del peso específico de una emulsión generalmente no está en las especificaciones, sin embargo es de gran ayuda al hacer las correcciones volumétricas a temperaturas elevadas y determinar las cantidades necesarias. El peso específico de las emulsiones asfálticas está en el rango de 1,00 a 1,05 y se determina con un picnómetro. El procedimiento y equipo es el mismo como en los Asfaltos Liquidos, se describen detalladamente en este manual en el numeral N° 2.5.1. 4.7.2. Viscosidad Saybolt-Furol. Este ensayo consiste en determinar la medida de la consistencia de las emulsiones asfálticas, a las temperaturas de 25 y 50 grados centígrados, los resultados se reportan en segundos Saybolt-Furol. El procedimiento, equipos y materiales se describen detalladamente en los métodos de ensayo para los Asfaltos Líquidos en el numeral 3.4.3. 4.7.3. Destilación. El ensayo de Destilación para una emulsión, es muy parecido al de destilación para los Cutbacks o Asfaltos líquidos. La principal diferencia está en que el matraz de destilación es de aluminio y el quemador es de anillo para la emulsión, mientras que en los Cutbacks el matraz es de vidrio y el quemador es del tipo Bunsen. El equipo está diseñado para evitar Universidad De Los Andes 147 Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas problemas de espuma en la emulsión, ya que se debe calentar hasta máximo 260°C. El procedimiento y equipo necesario se describen más adelante. 4.7.4. Residuo por evaporación. Este método de ensayo está designado para medir, por evaporación del agua, el porcentaje de cemento asfáltico en la emulsión. El procedimiento y equipo necesario se describen más adelante. 4.7.5. Carga eléctrica de la Partícula. Esta prueba es la única en definir si una emulsión es Catiónica ó Aniónica a través de su carga eléctrica. El procedimiento y equipo necesario para el ensayo se describen mas adelante. 4.7.6. Sedimentación (Asentamiento). Este ensayo nos indica el grado de estabilidad que tienen las emulsiones durante su almacenamiento. Detecta la tendencia de los glóbulos de asfalto a sedimentarse prematuramente durante su almacenamiento. También nos sirve como indicador de la calidad de la emulsión. El procedimiento y equipo requerido se describen más adelante. 4.7.7. Ensayo de Tamizado Esta prueba sirve como complemento a la prueba de sedimentación. La finalidad es determinar cuantitativamente la cantidad de glóbulos de asfalto relativamente grandes que pueden no haberse detectado en la prueba de sedimentación y que podrían obstruir el equipo de rociado, así como el espesor y la uniformidad de la película de asfalto sobre el agregado. El procedimiento y equipo requerido se describen más adelante. 148 Facultad de Ingeniería – Escuela de Civil Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos 4.7.8. Emulsiones Asfálticas Características al recubrimiento y Resistencia al Agua. Esta prueba investiga si las emulsiones de rotura media o lenta pueden mezclarse con agua. No es aplicable a emulsiones de rotura rápida. El procedimiento y equipo requerido se describen más adelante. 4.7.9. Estabilidad de almacenaje. La finalidad del ensayo es determinar la propiedad de una emulsión asfáltica a permanecer como una dispersión uniforme durante el almacenaje, ya que es una medida de permanencia de la dispersión relacionada con el tiempo. El procedimiento y equipo requerido se describen más adelante. 4.7.10. Miscibilidad con Cemento. Esta prueba se aplica a las emulsiones aniónicas para conocer la estabilidad de la emulsión al mezclarse con un material tan fino como el cemento. El procedimiento y equipo requerido se describen más adelante. 4.7.11. Determinación del potencial hidrogeno (pH) Esta prueba permite verificar la acidez o alcalinidad de la solución jabonosa, a fin de obtener los resultados deseados. El procedimiento y equipo requerido se describen más adelante. Universidad De Los Andes 149 Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas Tabla N° 4. Usos más frecuentes de las Emulsiones X X X X X X X CSS-1h X X X X CSS-1 X X CMS-2h SS-1h X X CMS-2 SS-1 X X CRS-1 HFMS-2s MS-2h, HFMS-2h MS-2, HFMS-2 MS-1, HFMS-1 HFRS-2 RS-2 RS-1 TIPO DE CONSTRUCCIÓN CRS-2 ASTM D2397 / AASHTO M140 ASTM D977 / AASHTO M208 X X X X X X X X X X X X XE XC XD XC XC XC X XC XD XC XC XC X MEZCLAS DE ASFALTO Y AGREGADOS Mezcla en planta (en caliente) Mezcla en planta (en fío) X Granulometría abierta Granulometría cerrada Arena Mezclado In-Situ X Granulometría abierta Granulometría cerrada Arena Suelo Arenoso APLICACIONES DE ASFALTO Y AGREGADO X X Tratamiento Superficiales (S y M) X X X X X Sellado con Arena Lechada Asfáltica Micro aglomerado X X Sellado doble X Capa real APLICACIONES ASFÁLTICAS XB Riego Pulverizado XD Imprimación B X Riego de adherencia Control de polvo Protección con asfalto Sellado de fisuras MEZCLAS DE MANTENIMIENTO Uso inmediato Acopio A Pueden emplearse otros grados que HFMS-2h, cuando comportamiento satisfactorio. B Diluido en agua por el fabricante. XA X X X X X X X X X X X X X XC XD XC XC XC X X X XC XD XC XC XC X X X la experiencia demuestre que han tenido un C Diluido con agua. D Mezclado solo para imprimación. E El polímero debe incorporarse durante o previamente a la emulsificacion. (Fuente: “Manual Básico de Emulsiones Asfálticas, serie N°19, ASPHALT INSTITUTE, pág. 30) 150 Facultad de Ingeniería – Escuela de Civil Manual de Prácticas de Laboratorio de Pavimentos Emulsiones Asfálticas PLANILLA DE ENSAYO PARA EMULSIONES ASFÁLTICAS Universidad De Los Andes 151 Emulsiones Asfálticas LABORATORIO DE MECÁNICA DE LOS SUELOS Y PAVIMENTOS ENSAYOS FÍSICOS DE EMULSIONES ASFÁLTICAS Nombre del Proyecto: Procedencia Muestra: Empresa: Fecha de despacho en refinería: CARACTERÍSTICAS GENERALES Fecha de realización de Ensayos: ESPECIFICACIONES ENSAYOS RESULTADO Mínimo Máximo En Emulsión Peso Específico 25/25 ºC Peso Específico 25/25ºC (MÉTODO DEL PICNÓMETRO) B Viscosidad SAYBOLT-FUROL, 25ºC (s) A Peso del picnómetro, en gramos Sedimentación, 5 días (%) B Peso del picnómetro + agua , en gramos C Peso del picnómetro + muestra , en gramos Carga Eléctrica de Partícula Cubrimiento y Resistencia del agua Cubrimiento Ensayo 1 : Resistencia al agua Ensayo 2 : Valor Promedio : Tamizado (Retenido T#20), (%) Mezclado con Cemento (%) Ensayo de Evaporación % Residuo Asfáltico Destilación Volumen de Emulsión (ml) Volumen Destilado (ml) Destilación Volumen Aceite destilado (ml) % Total Destilado % Aceite Destilado % Residuo Sobre Residuo de Destilación Destilado (%) Solubilidad A W Cemento Asfáltico (gr) Penetración, 25ºC, 100g, 5s (dmm) B W crisol (gr) Ductilidad 25ºC, (cm) C W crisol + filtro (gr) Solubilidad CCL4 (%) D W crisol+filtro+muestra Peso específico 25/25ºC Contenido de Cenizas (%) E = (D-C)/A = % de BETÚN = 100 ( 1 - E )x100 = Observaciones: REALIZADO POR:_______________________________ A REVISADO POR: ________________________________ FECHA: _______________
