CAPITULO II MEZCLA ASFÁLTICA EN CALIENTE Y MEZCLA ASFÁLTICA CON EMULSION 2.1.- MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE La estructura del pavimento terminará con la carpeta asfáltica, este pavimento de concreto asfáltico es el pavimento de mejor calidad. Está compuesto de agregado bien gradado y cemento asfáltico, los cuales son calentados y mezclados en proporciones exactas en una planta de mezclado en caliente. Después de que las partículas del agregado son revestidas uniformemente, la mezcla en caliente se lleva al lugar de la construcción, en donde el equipo de asfaltado la coloca sobre la base que ha sido previamente preparada. Antes de que la mezcla se enfríe, las compactadoras proceden a compactarla para lograr la densidad especificada. A medida que se enfría, el asfalto se endurece y recupera las propiedades ligantes que hacen de el un material vial eficaz capaz de soportar el tránsito. La dosificación o fórmula de la mezcla de concreto asfáltico (o simplemente mezcla asfáltica en caliente) así como los regímenes de temperatura de mezclado y de colocación que se pretenda utilizar, se presentan con cantidades o porcentajes definidos y únicos. 2.1.1 Cemento Asfáltico El cemento asfáltico debe presentar un aspecto homogéneo, libre de agua y no formar espuma cuando es calentado a la temperatura de 175ºC. TABLA Nº 2.1 - Mezclas en Caliente Tipo de Cemento Asfáltico Clasificado según Penetración Temperatura Media Anual 24°C o más 40 – 50 ó 60-70 ó Modificado 24°C – 15°C 15°C - 5°C 60-70 85 – 100 120 - 150 Menos de 5°C Asfalto Modificado Fuente: Principios de Construcción de Pavimentos de Mezcla Asfáltica en caliente del Asphalt Institute. Serie de Manuales N° 22 (MS-22). 27 TABLA 2.2 -Especificaciones del Cemento Asfáltico Clasificado por Penetración Características GRADO DE PENETRACIÓN 40 –50 60 –70 Ensayo Min. Max Min. Max 85 – 100 Min. Max 120 – 150 Min. Max Penetración, 25º C 100 g.,5 segundos MTC E 304 40 50 60 70 85 100 120 150 Punto inflamador, cleveland, ºC MTC E 312 450 - 450 - 450 - 425 - Ductilidad 25º C, 5 cm por minuto MTC E 306 100 - 100 - 100 - 100 - Solubilidad de triclorotileno, % masa MTC E 302 99 - 99 - 99 - 99 - - 0.8 - 0.8 - 1 - 1.3 58 - 54 - 50 - 46 - - - 50 - 75 - 100 - -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 Susceptibilidad Térmica Ensayo de Película Delgada en Horno, 3.2mm., 163°C,5hrs. Perdida de masa, % MTC E 316 Penetración del residuo, % del MTC E 304 original Ductilidad del residuo a 25º C. 5 cm MTC E 306 por min., cm Indice de Susceptibilidad Térmica Ensayo de la Mancha con Solvente MTC E 314 Heptano-Xileno 20% (opcional) Negativo para todos los grados TABLA 2.3 - Especificaciones del Cemento Asfáltico Clasificado por Viscosidad Características Ensayo Grado de Viscosidad AC– 5 AC – 10 AC – 20 AC – 40 Viscosidad absoluta, 60º poises MTC E 308 500+100 1000+200 2000+400 4000+800 Viscosidad Cinemática 135º Csmínima Penetración, 25º C 100 g.,5 segundos – mínimo MTC E 301 100 150 210 300 120 70 40 20 177(350) 219(425) 232(450) 232(450) 99 99 99 99 200 400 800 1600 -2000 -4000 -8000 -16000 100 50 20 10 MTC E 304 Punto inflamador, cleveland. ºC(ºF)- MTC E 303 mínimo Solubilidad en tricloroetileno, % masa,mínimo MTC E 302 Susceptibilidad Térmica Ensayo de Película Delgada en MTC E 316 Horno, 3.2mm., 163°C,5hrs. Viscosidad absoluta, 60º C, poises – MTC E 304 máximos Ductilidad, 25º C, 5 cm por minuto, MTC E 306 cm mínimo Ensayo de la Mancha con Solvente MTC E 314 Heptano-Xileno 20% (opcional) Negativo para todos los grados Fuente (Tabla 2.2 y 2.3): Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 28 2.1.2. AGREGADOS Los agregados pétreos empleados para la ejecución de cualquier tratamiento o mezcla bituminosa deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicársele una capa del material asfáltico por utilizar en el trabajo, esta no se desprenda por la acción del agua y del tránsito. El agregado mineral estará compuesto por granos gruesos, finos y además un relleno mineral (filler). 2.1.2.1. Agregados Gruesos Estarán constituidos por piedras, grava fracturada natural o artificial y eventualmente por materiales naturales que se presenten en estado fracturado o muy angulosos, con textura superficial rugosa. Quedarán retenidos en la malla Nº08 y estarán limpios, es decir, sin recubrimiento de arcilla u otros agregados de material fino. Además deberán cumplir con los siguientes requisitos: Tabla N° 2.4 -Requerimientos para los Agregados Gruesos Requerimiento Ensayos Durabilidad (al Sulfato de Sodio) Norma MTC E 209 Durabilidad (al Sulfato de Magnesio) Altitud (m.s.n.m.) < 3000 > 3000 12% máx. 10% máx. 18 máx. 15% máx. Abrasión Los Angeles MTC E 207 40% máx.. 35% máx. Indice de Durabilidad MTC E 214 35% mín. 35% mín. Partículas chatas y alargadas MTC E 221 10% máx. 10% máx. Caras fracturadas MTC E 210 Sales Solubles Totales MTC E 219 Absorción MTC E 206 Adherencia MTC E 519 VER TABLA N° 2.5 0.5% máx. 0.5% máx. 1.00% Según Diseño 95 Fuente : Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 29 Tabla N° 2.5 - Requerimientos para Caras Fracturadas Tráfico en Ejes Equivalentes (millones) Espesor de Capa < 100 mm > 100 mm <3 65/40 50/30 > 3 – 30 85/50 60/40 > 30 100/80 90/70 Fuente : Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 Nota: La notación "85/80" indica que el 85% del agregado grueso tiene una cara fracturada y que el 80% tiene dos caras fracturadas. 2.1.2.2 Agregados Finos Los agregados finos o material que pasa la malla Nº 08, serán obtenidos por el machaqueo de piedras o gravas, o también arenas naturales de granos angulosos. Como en todos los casos, el agregado se presentará limpio, que sus partículas no estén cubiertas de arcilla limosa y otras sustancias perjudiciales, ni contendrá grumos de arcilla u otros aglomerados de material fino. El material deberá estar libre de cualquier sustancia que impida la adhesión del asfalto. Además deberá cumplir con el sgte. requisito: Tabla N° 2.6 - Requerimientos para los Agregados Finos Requerimiento Ensayos Norma Altitud (m.s.n.m.) < 3000 > 3000 Equivalente de Arena MTC E 209 Según Tabla 2.7 Angularidad del agregado fino MTC E 222 Según Tabla 2.8 Adhesividad (Riedel Weber) MTC E 220 4% mín. 6% mín. Índice de Plasticidad (malla N°40) MTC E 111 NP NP Índice de Durabilidad MTC E 214 35 mín. 35 mín. Índice de Plasticidad (malla N°200) MTC E 111 Max 4 NP Sales Solubles Totales MTC E 219 0.5% máx. 0.5% máx. 0.50% Según Diseño Absorción MTC E 205 Fuente : Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 30 Tabla N° 2.7 - Requerimientos del Equivalente de Arena Tráfico en Ejes Equivalentes (millones) Porcentaje de Equivalente Arena (mínimo) <3 45 > 3 – 30 50 > 30 55 Tabla N° 2.8 - Angularidad del Agregado Fino Tráfico en Ejes Equivalentes (millones) Espesor de Capa < 100 mm > 100 mm <3 30 mín. 30mín. > 3 – 30 40 mín. 40 mín. > 30 40 mín. 40 mín. Fuente (Tabla 2.7 y 2.8): Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 2.1.2.3 Relleno mineral o « filler » El relleno mineral « filler » provendrá de los procesos de trituración de los agregados pétreos o podrá ser de aporte de productos comerciales, generalmente cal hidratada o cemento Pórtland, partículas muy finas de caliza, u otra sustancia mineral no plástica, que se presentará seca y sin grumos. El material cumplirá con los siguientes requerimientos mínimos de granulometría: Tabla N° 2.9 – Requerimientos mínimos de Granulometría MALLA Nº 30 Nº 100 Nº 200 % QUE PASA (EN PESO SECO) 100% 95 – 100 % 70 – 100 % La fracción del “filler” y de los agregados que pasan la malla Nº 200, que se denomina polvo mineral, no tendrá características plásticas. El agregado que resulte de combinar o mezclar los agregados grueso, fino y el “ filler”, debe cumplir con la gradación de las mezclas tipo IVa, IVb o IVc de las recomendadas por el Instituto del Asfalto siguiente: 31 Tabla N° 2.10 – Gradación de mezclas tipo IVa, IVb y IVc TAMAÑO DE LA MALLA ABERTURA CUADRADA 1” ¾” ½” 3/8” Nº 4 Nº 8 Nº 30 Nº 50 Nº 100 Nº 200 % QUE PASA A 100 * 85 – 100 80 – 100 65 – 80 28 – 58 18 – 29 15 – 21 8 – 16 2 - 10 B C 100 * 80 – 100 70 – 90 50 – 70 35 – 50 18 – 29 13 – 23 4 – 16 4 – 10 100 * 80 – 100 --60 – 80 48 – 65 35 – 50 19 – 30 13 – 23 7 – 15 0-8 TOLERANCIA -5 ±5 ±5 ±5 ±5 ±4 ±3 --±1 Fuente : Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 Las tolerancias llevarán el signo negativo. El Equivalente de arena en el agregado combinado: 45 % mínimo. El asfalto en la mezcla del concreto asfáltico será determinado utilizando el “método Marshall” y debe cumplir con los siguientes requisitos básicos: Tabla N° 2.11 – Requisitos básicos de una mezcla asfáltica según el método Marshall Numero de golpes de compactación en cada lado del espécimen Estabilidad (kg.) Fluencia, en 0.01” Vacíos en la mezcla, en % Vacíos llenos de asfalto, en % 75 680 8 mín. – 18 máx. 3 mín. – 5 máx. 75 mín. – 85 máx. Fuente: Principios de Construcción de Pavimentos de Mezcla Asfáltica en caliente del Asphalt Institute. Serie de Manuales N° 22 (MS-22). 32 Tabla N° 2.13 -Requisitos para Mezcla de Concreto Bituminoso Parámetro de Diseño A Clase de Mezcla B C a. Marshall (MTC E 504) 1.Estabilidad (mín) 8 kN (815 Kg) 5,34 kN (544 Kg) 4,45 kN (453 Kg) 2.Flujo 0.25 mm 8 – 14 8 – 16 8–2 3.Porcentaje de vacíos con aire (1) 3–5 3–5 3–5 b. (MTC E 505) 4.Vacíos en el agregado mineral Ver Tabla 2.14 5.Compactación, núm. de golpes en cada capa de testigo 75 50 50 c. Inmersión – Compresión (MTC E 518) 1.Resistencia a la compresión (Mpa mín.) 2,1 2,1 1,4 2.Resistencia retenida % (mín) 70 70 70 d. Resistencia Conservada en la Prueba de Tracción indirecta 70 70 70 (mín) (MTC E 521) e. Relación Polvo – Asfalto 0,6 – 1,3 0,6 – 1,3 0,6 – 1,3 f. Relación Est./flujo (2) 1700 – 2500 Fuente : Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 A la fecha de 1999 se tienen tramos efectuados en el Perú que tienen el rango 2% a 4% (es deseable que tienda al menor) 2% con resultados satisfactorios en climas fríos por encima de 3000 m.s.n.m. que se recomienda en estos casos. Para zonas de clima frío es deseable que la relación Est./flujo sea de la menor magnitud posible tendiéndose hacia el límite inferior. El Indice de Compactibilidad mínimo será 5. El Indice de Compactabilidad se define como: Siendo GB50 y GEB5, las gravedades específicas bulk de las briquetas a 50 y 5 golpes. Tabla N° 2.14 -Vacíos mínimos en el agregado mineral (VMA) Tamiz Vacíos mínimos en agregado mineral % Marshall Superpave 2,36 mm. (N° 8) 21 - 4,75 mm. (N° 4) 18 - 9,5 mm. (3/8”) 16 15 12,5 mm. (½”) 15 14 19 mm. (3/4”) 14 13 25 mm. (1”) 13 12 7,5 mm. (1 ½”) 12 11 50 mm. (2”) 11.5 10.5 Fuente : Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 33 La mezcla asfáltica en caliente es producida en plantas continuas o intermitentes y el asfalto que se determine en el diseño se debe estimar entre 3.5 a 7% por el peso del total de la mezcla. La temperatura de los componentes será la adecuada para garantizar una viscosidad en el cemento asfáltico que le permita mezclarse íntimamente con el agregado combinado, también calentado. La mezcla de la salida de la planta tendrá una temperatura comprendida entre 125ºC y 165ºC y será transportada a obra en vehículos adaptados convenientemente para garantizar su homogeneidad (sin segregación) y una mínima pérdida de color (baja de temperatura) hasta el lugar del destino. La temperatura de colocación de la mezcla asfáltica, será de 105ºC como mínimo. La colocación y distribución se hará por medio de una pavimentadora autopropulsada de tipo y estado adecuados para que garanticen un esparcido de la mezcla en volumen, espesor y densidad de capa uniforme. El esparcido será complementado con un acomodo y rastrilleo manual cuando se comprueben irregularidades a la salida de la pavimentadora. La pavimentación de la carpeta se deberá llevar a cabo inmediatamente después de que la mezcla haya sido distribuida uniformemente, teniendo en cuenta que solo durante el primer rodillo se permitirá rectificar cualquier irregularidad en el acabado. La compactación se realizará utilizando rodillos cilíndricos lisos en tándem y rodillo neumático. El número de pasadas del equipo de compactación será tal que garantice el 95 %, o mayor, de la densidad lograda en el laboratorio. Las juntas de construcción serán perpendiculares al eje de la vía y tendrán el borde vertical. La unión de una capa nueva con una ya compactada, se realizará previa impregnación de la junta con asfalto. Esto último puede evitarse si es que la colocación y compactación de la carpeta se realiza en todo el ancho de la vía en un solo día. Los controles de calidad de los componentes de la mezcla, así como la mezcla asfáltica deberán exigir los certificados que aseguren las características del producto terminado, tales como: a) De los agregados minerales: granulometría, abrasión, durabilidad, equivalente de arena. b) Cemento asfáltico: penetración, viscosidad, punto de inflamación. c) De la mezcla en planta: cantidades de los componentes, temperatura de mezcla, estabilidad, flujo, vacíos del ensayo Marshall, tiempo de amasado. d) Control de espesor: se efectuará verificando el espesor de la mezcla puesta antes de compactar y luego por nivelación del eje y de los bordes, la variación de niveles de la superficie obtenida, y la especificada en los planos no deberá exceder de 5 mm. Protección de la carpeta Las áreas de una obra recién terminada serán protegidas contra toda clase de tránsito hasta que la mezcla se haya endurecido convenientemente por enfriamiento. En ningún caso, la obra será habilitada al tránsito antes de 6 horas de terminados los trabajos de colocación y compactación. 34 Tabla N° 2.15 - Ensayos y Frecuencias Material o Producto Agregado Propiedades o Características Método de Ensayo Frecuencia Lugar de muestreo Granulometría MTC E 204 200 m³ Tolva en frío Plasticidad MTC E 110 200 m³ Tolva en frío Partículas Fracturadas MTC E 210 500 m³ Tolva en frío Equivalente arena MTC E 114 1000 m³ Tolva en frío 500 m³ Tolva en frío MTC E 207 1000 m³ Tolva en frío MTC 222 1000 m³ Tolva en frío Perdida en sulfato de sodio MTC E 209 1000 m³ Tolva en frío Contenido de Asfalto MTC E 502 2 por día Pista/planta 2 por día Pista/planta 2 por día Pista/planta Cada volquete Pista/planta Indices de aplanamiento y alargamiento agregado Grueso Desgaste Los Angeles Angularidad del agregado fino Granulometría Ensayo Marshall MTC E 504 Temperatura Mezcla Asfáltica Cemento Asfáltico Densidad MTC E 506, MTC E 508 1 cada 250 m² Pista compactada y MTC E 510 Espesor MTC E 507 Cada 250 m² Pista compactada Resistencia al deslizamiento MTC E 1004 1 por día Pista compactada Según 410.18(b) Tanques Térmicos al llegar a obra Fuente : Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras EG-2000 MTC.Perú.2000 (*) N representa el número de tancadas de 30 000 l de cemento asfáltico requeridos en la obra. 35 2.2.- MEZCLAS CON EMULSIONES ASFALTICAS Los progresos en la tecnología de emulsiones asfálticas hacen posible el empleo de mezclas con emulsiones con una amplia variedad de aplicaciones en construcción, rehabilitación y mantenimiento de pavimentos. La tabla enumera los principales usos de las mezclas de emulsiones asfálticas: Tabla N° 2.16 -USOS PRINCIPALES DE MEZCLAS CON EMULSIONES ASFALTICAS USO DE LA MEZCLA Como una ayuda constructiva PROPOSITO DEL TRATAMIENTO CON EMULSION Facilitar la construcción del pavimento y en algunos casos proveer una plataforma de trabajo Mejoramiento del Mejorar el agregado, alcanzando la calidad de una buena comportamiento de agregados base sin tratar. marginales Como una superficie de Proveer una superficie que pueda ser utilizada hasta que se rodamiento temporaria coloca, con carácter de pavimento permanente, una mezcla asfáltica en caliente o una mezcla con emulsión de alta calidad. Reducir el espesor total del Incrementar la resistencia de los materiales del pavimento y pavimento reducir el espesor necesario de la estructura con respecto al espesor correspondiente a materiales sin tratar. Mezclas abiertas para carpetas Producir una mezcla de alta calidad para trafico muy intenso. y bases Estas mezclas tienen buena flexibilidad y resistencia a la deformación permanente. Superficie de rodamiento de Producir una mezcla para carpetas estables que no sufrirán granulometría cerrada. ahuellamientos ni desplazamientos. Sub-base de pavimentos Permitir el uso de agregados de menor calidad para la elaboración de sub-bases aceptables . Para esta aplicación, se pueden usar arenas, arenas limosas y arenas y gravas de pobre graduación. Mezclas de mantenimiento de Proveer mezclas de bacheo trabajables que pueden ser uso inmediato y para acopio diseñadas para almacenamiento inmediato o para almacenamiento a largo plazo Fuente: Manual Básico de Emulsiones Asfálticas del Asphalt Institute. Serie de Manuales N° 19 (MS-19). Para entender bien el comportamiento de una mezcla asfáltica emulsionada deberemos primero conocer las propiedades generales de los emulsiones asfálticas y sus usos. 2.2.1.- AFALTOS EMULSIONADOS 2.2.1-CONCEPTO Desde el punto de vista físico químico una emulsión es una dispersión de un líquido en otro, en el cual es inmiscible. Una emulsión asfáltica es la dispersión de micro partículas de cemento asfáltico en una matriz acuosa estabilizada. 36 Una emulsión es directa cuando la fase dispersa es hidrocarbonada y la fase dispersante es agua. Por otro lado, en las emulsiones inversas la fase dispersa es la acuosa. Una emulsión asfáltica es de tipo directa, siendo la fase dispersante un asfalto de petróleo. Una emulsión tiene tres ingredientes básicos: asfalto, agua y una agente emulsificante. En algunas ocasiones el agente emulsificante puede contener un estabilizador. El propósito es conseguir una dispersión de cemento asfáltico en agua, suficientemente estable para el bombeo, almacenamiento prolongado y mezclado. Además la emulsión deberá romper rápidamente después de entrar en contacto con el agregado en un mezclador, o después de ser esparcida sobre la superficie vial. Una vez curado, el asfalto residual conserva todas las propiedades de adhesividad, durabilidad y resistencia al agua del cemento asfáltico usado para producirla. 2.2.2.- COMPOSICION DE UNA EMULSION ASFALTICA Una emulsión está compuesta por las siguientes partes: 2.2.2.1.-CEMENTO ASFALTICO El cemento asfáltico es el ingrediente básico de una emulsión y, en la mayoría de los casos representa del 55 al 70 por ciento de la emulsión. La mayor parte de las emulsiones se hacen con asfaltos situados dentro de un intervalo de penetración entre 100 y 250. A veces, las condiciones climáticas pueden determinar el uso de un asfalto base más blando o más duro. En cualquier caso, es esencial la compatibilidad del agente emulsificante con el cemento asfáltico para producir una emulsión asfáltica estable. El asfalto es un coloide compuesto de varias fracciones, siendo las principales los asfaltenos y los maltenos. La constitución coloidal del asfalto depende de la naturaleza química, el porcentaje de estas fracciones y sus relaciones entre ellas. Los asfaltenos son la fase dispersa del asfalto, mientras que los maltenos son la fase continua. Se concibe que los asfaltenos suministran la dureza mientras se cree que los maltenos las propiedades de adhesividad y ductilidad. Los maltenos presentes tienen incidencia en la viscosidad o propiedades de flujo del asfalto. La interacción compleja de las diferentes fracciones hace casi imposible predecir en forma precisa el comportamiento de un asfalto para emulsificar. Por este motivo se ejerce un continuo control de calidad en la producción de la emulsión para detectar y corregir cualquier tendencia del asfalto conducente a afectar adversamente el comportamiento de la emulsión resultante. Se usan en la actualidad varios sistemas de análisis de asfalto para separar y evaluar las fracciones. No existe consenso entre los técnicos respecto a como cada fracción afecta el comportamiento de campo. Ni hay acuerdo total en cuanto a la facilidad con la cual un cemento asfáltico puede ser emulsificado. 37 Cada fabricante de emulsiones tiene sus propias fórmulas y técnicas de producción. Han sido desarrolladas para obtener óptimos resultados con el cemento asfáltico y emulsificantes químicos que cada cual usa. 2.2.2.2.- SOLUCION JABONOSA: AGUA El segundo ingrediente en cantidad en las emulsiones es el agua, representando el 98 por ciento de la solución jabonosa. No puede restarse importancia a sus contribuciones para dotar el producto final con propiedades deseables. El agua humedece y disuelve: se adhiere a otras sustancias; y, modera las reacciones químicas. Todos son factores importantes que pueden ser favorables a la producción de una emulsión satisfactoria. Por otro lado el agua puede contener factores u otras sustancias que afecten la producción de emulsiones asfálticas estables. Pueden ser inadecuadas las aguas sin tratar a causa de impurezas, tanto en solución como en suspensión coloidal. De especial cuidado es la presencia de iones de calcio y magnesio, que pueden afectar las propiedades de la emulsión. No debe usarse en la producción de emulsiones agua que contenga materias extrañas. Pueden originar desbalances en los componentes de la emulsión que pueden afectar nocivamente el comportamiento o producir la rotura prematura. En resumen, el agua usada para producir emulsiones deberá ser razonablemente pura y libre de materias extrañas y deberá considerarse como un componente importante. AGENTE EMULSIFICANTE Representa el uno por ciento de la solución jabonosa aunque las propiedades de una emulsión dependen notablemente del producto químico usado como emulsificante. Dicho químico es un agente con actividad de superficie comúnmente llamado “surfactante” que determina si la emulsión se clasificará como aniónica, catiónica o no iónica. El emulsificante, también mantiene los glóbulos de asfalto en suspensión estable y permite su rotura oportuna. El surfactante cambia la tensión superficial en la interfase, es decir, el área de contacto entre los glóbulos de asfalto y el agua. Hay gran disponibilidad de variados emulsificantes químicos. Deben seleccionarse por su compatibilidad con el cemento asfáltico usado. En los primeros días de la producción de emulsiones se usaron como agentes emulsificantes materiales tales como sangre de buey, arcillas y jabones. Con el incremento de la demanda por emulsiones, fueron encontrados nuevos y más eficientes agentes emulsificantes. Hay ahora varios emulsificantes químicos disponibles comercialmente La mayoría de los emulsificantes catiónicos son aminas grasas (diaminas, imidazolinas y amidoaminas, por mencionar solo tres). Las aminas son convertidas en jabón por reacción con un ácido, generalmente clorhídrico. Otro tipo de agente emulsificante, sales cuaternarias de amonio, se usan para producir emulsiones catiónicas. Son producidas como sales solubles en agua y no requieren la adición de ácido para lograr dicha solubilidad. Constituyen emulsificantes catiónicos (positivamente cargados) estables y efectivos. 38 Cada fabricante tiene su propio procedimiento para usar estos agentes en la producción de emulsiones. En la mayor parte los casos, el agente se combina con el agua antes de introducirlo en el molino coloidal. En otros casos, sin embargo, pueden combinarse con el cemento asfáltico justo antes de entrar al molino coloidal. 2.2.3.- COMPOSICION QUIMICA DE LAS EMULSIONES 2.2.3.1.- CLASIFICACION Y NOMENCLATURA Por el tipo de emulsificante las emulsiones se dividen en tres categorías: aniónicas, catiónicas y no iónicas. En la práctica los dos primeros son usados ordinariamente en la construcción y mantenimiento viales. Las no iónicas sin embargo, pueden llegar a ser más ampliamente usadas con el avance de las tecnologías de las emulsiones. Las clases aniónicas y catiónicas se refieren a las cargas eléctricas que rodean las partículas de asfalto. Este sistema de identificación se deriva de una de las leyes básicas de electricidad-cargas del mismo signo se repelen y cargas contrarias se atraen. Cuando dos polos (un ánodo y un cátodo) se sumergen en un líquido a través del cual fluye una corriente eléctrica, el ánodo se carga positivamente y el cátodo negativamente. Si se pasa una corriente a través de una emulsión que contiene partículas de asfalto negativamente cargadas estas migrarán hacia el ánodo. La emulsión, entonces, se denomina aniónica. Inversamente partículas de asfalto positivamente cargadas se moverán hacia le cátodo y la emulsión se conoce como catiónica. Con emulsiones no iónicas, las partículas de asfalto son neutras, y por consiguiente no migrarán hacia los polos. Las emulsiones se clasifican también en base a que tan rápidamente el asfalto puede sufrir coalescencia: es decir : velocidad de rotura con la cual vuelve a ser cemento asfáltico. Los términos RS, MS y SS han sido adoptados para simplificar y normalizar esta clasificación. Son sólo términos relativos y significan rotura rápida (rapid-setting), rotura media (medium-setting) y rotura lenta (slow-setting). La tendencia a coalescer está estrechamente relacionada con la capacidad de mezcla de una emulsión. Una emulsión RS tiene escasa o ninguna habilidad para mezclar con un agregado, e una emulsión MS se espera que mezcle con agregados gruesos pero no con finos, y una emulsión SS está diseñada para mezclar con agregados finos. Las emulsiones se subdividen adicionalmente según secuencias de números relacionados con la viscosidad de las emulsiones y dureza de los cementos asfálticos de base. La letra “C” al frente del tipo de emulsión significa catiónica. La ausencia de la “C” significa aniónica o no iónica. Por ejemplo RS-1 es aniónica o no iónica y CRS-1 es catiónica. Se han adicionado a las normas ASTM, tres grados de emulsión aniónica de alta flotación y rotura media, que se denomina HFMS. Estos grados se utilizan principalmente en mezclas en planta frías y calientes, riegos de sellado de agregados gruesos y mezclas en vía. Las emulsiones de alta flotación tienen una cualidad específica que permite películas de cubrimiento más gruesas sin riesgos de escurrimiento. Se ha desarrollado un tipo de emulsión de rotura veloz (QS) para las lechadas asfálticas. Su uso está creciendo rápidamente debido a que la exclusiva característica de rotura veloz soluciona uno de los mayores problemas asociados con el uso de las lechadas asfálticas. 39 2.2.4.- VARIABLES QUE AFECTAN LA CALIDAD Y EL RENDIMIENTO DE UNA EMULSION ASFALTICA Existen muchos factores que afectan la producción, almacenamiento, uso y comportamiento de la emulsión. Sería difícil identificar uno solo de ellos como el más significativo. Pero, entre las variables que tienen un efecto relevante están: • • • • • • • • • • • Propiedades químicas de la base de cemento asfáltico. Dureza y cantidad del cemento asfáltico de base Tamaño de las partículas de asfalto en la emulsión. Tipo y concentración del agente emulsivo. Condiciones de elaboración tales como temperatura, presión, y esfuerzo para separar las partículas de asfalto (afectan al molino coloidal) Carga iónica en las partículas de emulsión. Orden en que se agregan los elementos. Tipo de equipo empleado en la elaboración de la emulsión. Propiedades del agente emulsivo. Adición de modificadores químicos o de polímeros. Calidad del agua (dureza del agua) Estos factores pueden ser variados para ajustarse a los agregados disponibles o a las condiciones constructivas. En lo que respecta a la natural combinación asfalto-agregado, siempre es aconsejable consultar al proveedor de la emulsión, ya que hay pocas reglas aplicables en todas las condiciones. 2.2.5.- CARACTERISTICAS FISICO – QUIMICAS DE LAS EMULSIONES 2.2.5.1.--PRODUCCIÓN DE LA EMULSIÓN EQUIPO EMULSIFICADOR: El equipo básico para preparar la emulsión incluye un dispositivo mecánico de alta velocidad y altamente cortante, (usualmente un molino coloidal) para dividir el asfalto en glóbulos minúsculos. También se requiere un tanque de solución del emulsificante, un tanque calentador de asfalto, bombas y medidores de flujo. El molino coloidal tiene un rotor de alta velocidad que rota a 1.000-6.000 rpm (17-100 Hz) regulable a tolerancias del molino en u intervalo entre 0.01 a 0.02 pulg. (0.25 a 0.50 mm). Tal regulación produce emulsiones con tamaños de los glóbulos de asfalto menores que el diámetro de un cabello humano [del orden de 0.001 a 0.005 pulg. (0.025 a 0.125 mm)]. Existen ligeras variaciones en las regulaciones de las tolerancias del molino y es así como los tamaños de los glóbulos de asfalto dependen del equipo usado. Algunos molinos de emulsión tienen tolerancias fijas sin libertad para variaciones. Pueden usarse mezcladores simples para producir cutbacks de baja viscosidad, no obstante, normalmente no se usan para producir emulsiones. Se usan bombas separadas para medir el asfalto y la solución emulsificante en el molino coloidal. Debido a que la solución emulsificante puede ser altamente corrosiva, es necesario usar una bomba construida con materiales resistentes a la corrosión. 40 PROCESO DE EMULSIFICACIÓN: En el método general de producción de emulsiones se dirigen flujos concurrentes de cemento asfáltico fundido y agua tratada hacia la entrada del molino coloidal por medio de bombas de desplazamiento positivo. El asfalto y el agente emulsificante se someten a intensos esfuerzos de corte a medida que pasan por el molino coloidal. La emulsión recién formada puede entonces bombearse a través de un intercambiador térmico. El exceso de calor se usa para elevar la temperatura del agua emulsificante de entrada justamente antes de llegar al molino coloidal. La emulsión se bombea del intercambiador de calor a tanques de almacenamiento en bruto. A veces estos tanques están equipados con algún tipo de dispositivo de agitación para mantener un producto uniformemente mezclado. El cemento asfáltico calentado base de la emulsión, alimenta el molino coloidal, donde es dividido en glóbulos diminutos. Al mismo tiempo, el molino coloidal, entra agua que contiene agente emulsificante. El asfalto se calienta, a medida que entra al molino coloidal, para asegurar una baja viscosidad, ajustando en forma correspondiente la temperatura del agua. Estas temperaturas varían, dado que dependen de las particularidades de emulsionado del cemento asfáltico y de la compatibilidad entre el asfalto y el agente emulsificante. No se usan temperaturas extremadamente altas en razón de que la temperatura de la emulsión que deja el molino debe estar por debajo del punto de ebullición del agua. El método de adicionar el emulsificante al agua varía de acuerdo con el procedimiento del fabricante. Algunos emulsificantes, tales como las aminas, deben mezclarse y reaccionar con un ácido tal como el clorhídrico, para alcanzar la solubilidad en agua. Otros tales como los ácidos grasos, deben mezclarse y reaccionar con álcalis, tales como hidróxido de sodio, para alcanzar dicha solubilidad. Con mayor frecuencia, el mezclado es simplemente realizado en un mezclador por lotes. El emulsificante se introduce en agua caliente que contiene ácido álcali, y se agita hasta su completa disolución. El asfalto y la solución emulsificadora pueden dosificarse en forma precisa listo. Esto puede hacerse al observar la temperatura de cada fase y de la descarga del molino, o con medidores. Si se usa el método de dosificación por temperatura, puede calcularse la temperatura de salida de la emulsión terminada a partir de las temperaturas de los diferentes ingredientes de emulsión. El tamaño de las partículas de asfalto es un factor vital en la ejecución de emulsiones estables. Una fotografía microscópica de una emulsión revela los siguientes tamaños promedios de partícula: Menores que 0,001 mm (1 µ m)………………………………………….. 0,001 – 0,005 mm (1-5 µ m)…………………………………………….. 0,005 – 0,010 mm (5-10 µ m)……………………………………………… 28% 57% 15 % Estos glóbulos de tamaño microscópico se dispersan en agua en presencia de un emulsificante químico con actividad superficial (surfactante). El surfactante produce un cambio en la tensión superficial en el área de contacto entre los glóbulos de asfalto y el agua alrededor de ellos, lo que le permite al asfalto permanecer en un estado de suspensión. Las partículas, todas con carga eléctrica similar, se repelen entre sí, lo cual 41 también ayuda a su permanencia en estado de suspensión. La Figura II-2 es una microfotografía que muestra los tamaños y distribución de las partículas de asfalto. 2.2.5.2.- ALMACENAMIENTO DE EMULSIONES ASFALTICAS La emulsión asfáltica, una dispersión de finas gotitas de cemento asfáltico en agua, tiene las ventajas y desventajas propias del medio de dispersión, el agua. Cuando se almacena emulsiones asfálticas: SI almacene la emulsión como almacenaría agua líquida –entre 10 ºC (50ºF) y 85ºC (185ºF), dependiendo del uso buscado y el producto en cuestión. SI almacene la emulsión a la temperatura especificada para el grado y aplicación particulares. La tabla 3.1 muestra los rangos de temperaturas normales para almacenamiento. NO permita que la emulsión asfáltica sea calentada por encima de los 85ºC (185ºF). Las temperaturas elevadas evapora el agua, modificando las características de la emulsión asfáltica NO permita que la emulsión asfáltica se congele. Esto produce la rotura de la emulsión, separando el asfalto del agua. El resultado será dos capas – una de asfalto, otra de agua – en el tanque, ninguna de las cuales será adecuado para el uso deseado; además será difícil vaciar al tanque. NO permita que la temperatura de la superficie de calentamiento exceda los 100ºC (212ºF). De suceder esto, se producirá la rotura prematura de la emulsión sobre aquella. NO use aire a presión para agitar la emulsión. Puede causal la rotura de la emulsión. Los tanques de almacenamiento deberían estar aislados térmicamente, para proteger la emulsión contra el congelamiento y para un mejor aprovechamiento del calor. En la superficie de las emulsiones expuestas al aire se puede formar una piel (skin) de asfalto. Consecuentemente, es mejor utilizar tanques verticales de gran altura, en los que se expone al aire la menor superficie de emulsión asfáltica. Los tanques fijos de almacenamiento, en su mayoría son verticales, pero para almacenamiento de corto plazo en el campo a menudo se emplean tanques horizontales llenos, minimizando así el área expuesta al aire. Hélices laterales, ubicadas a una distancia de alrededor de un metro (tres pies) del fondo del tanque pueden ser usadas para impedir la formación de la piel. Las mejores son las de gran diámetro, de baja velocidad, y debieran emplearse para revolver el material. El exceso de mezclado debe evitarse. También pueden utilizarse bombas para circulación vertical. El exceso de bombeo debe ser evitado. 42 Tabla N° 2.17 - Temperaturas de Almacenamiento para Emulsiones Asfálticas Temperaturas de Almacenamiento para Emulsiones Asfálticas Temperatura ºC Grado Mínimo Máximo RS-1 RS-2,CRS-1,CRS-2,HFRS-2 SS-1, SS-1h, CSS-1, CSS-1h, MS-1, HFMS-1 CMS-2, CMS-2h, MS-2, MS-2h, HFMS-2, HFMS-2h, HFMS-2s 20° 50° 10° 50° 60° 85° 60° 85° Nota: RS: rotura rápida; CRS: catiónica de rotura rápida; HFRS: rotura rápida de alta flotación; SS: rotura lenta; CSS: catiónica de rotura lenta; MS: rotura media; HFMS: rotura media de alta flotación; CMS: catiónica de rotura media. Fuente: Manual Básico de Emulsiones Asfálticas del Asphalt Institute. Serie de Manuales N° 19 (MS-19). 2.2.5.3.- ROTURA DE LA EMULSION ROTURA: Para que la emulsión asfáltica cumpla su objetivo final, esto es, actúe como ligante con propiedades cementantes e impermeabilizantes, el agua debe separarse de la fase asfáltica y evaporarse. Esta separación se denomina “rotura” (breaking). Para tratamientos superficiales y sellos, se formulan las emulsiones para romper una vez entren en contacto con una sustancia extraña tal como un agregado o la superficie de un pavimento. Los glóbulos de asfalto entran en coalescencia y producen una película continua de asfalto sobre el agregado o pavimento. Para mezclas densas, se requiere más tiempo para permitir el mezclado y fraguado. En consecuencia, las emulsiones usadas para mezclas se formulan para rotura retardada. La coalescencia del asfalto se conoce como rotura o fraguado. La velocidad a la cual los glóbulos de asfalto se separan de la fase acuosa se identifica como tiempo de rotura o fraguado. Por ejemplo, una emulsión de rotura rápida romperá entre uno a cinco minutos después de ser aplicada, mientras que una emulsión de rotura media o lenta puede tomar un tiempo mayor. La velocidad de rotura es controlada primeramente por el tipo específico y concentración del agente emulsificante usado, así como por las condiciones atmosféricas. El hecho de que diferentes tipos de agregados tengan diferentes tasas de absorción (succión de un líquido) significa que la rotura está también vinculada a las características relativas de absorción del agregado usado. Aquellos con altas tasas de absorción tienden a acelerar la rotura de la emulsión por motivo de una remoción más rápida del agua emulsionante. En mezclas, emulsión agregado, la gradación y área superficial del agregado son también factores significativos en la velocidad de la rotura. Al cambiar el área superficial, las características de rotura del medio también cambian debido a la alteración de la absorción 43 (acumulación en la superficie) del agente emulsificante por el agregado. Con miras a obtener óptimos resultados, es necesario controlar el tamaño del agregado o ajustar la formulación de la emulsión para cumplir los requisitos del agregado. CURADO Para usos en pavimentación, tanto las emulsiones aniónicas como las catiónicas dependen de la evaporación del agua para el desarrollo de sus características de curado y adherencia. El desplazamiento del agua puede ser bastante rápido bajo condiciones favorables del tiempo; pero, pueden interferir con un curado apropiado una alta humedad, baja temperatura o lluvia, poco tiempo después de la aplicación. A pesar de que las condiciones superficiales y atmosféricas son menos críticas para las catiónicas que para las aniónicas, aún dependen algo de las condiciones climáticas para lograr óptimos resultados. Quizás la principal ventaja de las catiónicas es su tendencia a dejar el agua un poco más rápidamente. La teoría tradicional sostiene que las emulsiones aniónicas (con carga negativa sobre los glóbulos de asfalto) se comportan mejor con agregados en que predominan cargas positivas en su superficie-tales como calizas y dolominas. La teoría también sostiene que las emulsiones catiónicas (con carga positiva sobre los glóbulos de asfalto) se comportan mejor con agregados que tiene cargas negativas predominantes en superficie por ejemplo, agregados silíceos o graníticos. En éste momento, no existe completo acuerdo respecto al tema de cargas eléctricas sobre las superficies de los agregados. Estudios recientes han contradicho las teorías tradicionales. Las teorías presentadas en éste estudio siguen la línea de uso tradicional, que pueden cambiar en el futuro. Cuando se usan emulsiones de rotura rápida tanto aniónicas como catiónicas, la sedimentación inicial del asfalto se desarrolla en función de fenómenos electromecánico. Pero, la generación de la principal unión de la resistente entre la película de asfalto y los agregados, viene después de la pérdida del agua emulsificante. Esta película de agua puede ser desplazada por evaporación, presión (envolvimiento), o por absorción. En el uso real, la rotura es generalmente una función de la combinación de estos tres factores. 2.2.5.4.- FACTORES QUE AFECTAN LA ROTURA Y EL CURADO Algunos de los factores que afectan las velocidades de rotura y curado de las emulsiones asfálticas son: • Absorción de agua.- Un agregado de textura áspera, poroso, acelera el tiempo de rotura al absorber agua de la emulsión. • Contenido de humedad de los agregados.- Si bien los agregados húmedos pueden facilitar el recubrimiento, tienden a hacer más lento el proceso de curado al incrementar el tiempo necesario para la evaporación. • Condiciones climáticas.- La temperatura, la humedad, y la velocidad del viento tienen influencia en la velocidad de evaporación del agua, en la migración del emulsivo y en las características de liberación del agua. Usualmente, pero no 44 • siempre, la rotura ocurre de manera más rápida en tiempos cálidos. Las altas temperaturas pueden originar la formación de “piel” en tratamientos superficiales (chips seals) atrapando el agua y retardando el curado. Recientemente se han desarrollado formulaciones químicas para romper rápidamente a bajas temperaturas. Fuerzas mecánicas.- La presión de los rodillos y, hasta cierto punto, el tráfico a baja velocidad, desalojan el agua de la mezcla y ayudan a lograr la cohesión, el curado y la estabilidad de la mezcla. • Superficie específica.- Una mayor superficie específica de los agregados, particularmente finos en exceso o agregado sucio, acelera la rotura de la emulsión. • Química de superficies.- La intensidad de la carga de la superficie del agregado, en combinación con la intensidad de la carga del agente emulsivo, puede influir marcadamente en la velocidad de rotura, en particular en el caso de emulsiones catiónicas. Iones de calcio y de magnesio presentes en la superficie del agregado pueden reaccionar con -y desestabilizar a – ciertos emulsivos aniónicos, acelerando la rotura. • Temperatura de la emulsión y el agregado.- La rotura se demora cuando las temperaturas de la emulsión y el agregado son bajas. Esto es particularmente evidente en el caso de micro-aglomerados. • Tipo y cantidad de emulsivo.- El surfactante empleado en la elaboración de la emulsión determina las características de rotura de los grados de emulsiones para sellados y para mezclas. Estos factores deben ser considerados en la determinación del tiempo de trabajo luego de que la emulsión ha sido distribuida o ha sido mezclada con el agregado en la obra. La mejor fuente de información es el proveedor de la emulsión. 2.2.6.- TIPOS DE MEZCLAS CON EMULSIONES ASFALTICAS Hay tres tipos de mezclas de emulsión asfáltica y agregados: de granulometría cerrada, con arena y de granulometría abierta. Las mezclas de granulometría cerrada están compuestas de agregados graduados desde el máximo tamaño hasta, inclusive, material pasante el tamiz 75 mm ( N°200). Incluyen una amplia variedad de tipos y de granulometrías de agregados, y pueden ser empleadas para todos los tipos de aplicaciones en pavimentos. Las mezclas arena emulsión se elaboran tratando, con emulsiones asfálticas, arenas de rio, arenas y gravas pobremente graduadas y arenas de dunas. Las mezclas con arenas están generalmente limitadas a arenas finas limpias y arenas limosas con bajo contenido de arcilla. Elaboradas con los adecuados grados de emulsiones, las mezclas con arenas han tenido un buen comportamiento como subbases y bases. Para estas mezclas las emulsiones típicamente empleadas son de rotura lenta y de rotura media de alta flotación, preferentemente con grados de mayor dureza o “h”. Con granulometrías abiertas elaboramos mezclas de alto porcentaje de vacíos, a través de los cuales drena el agua. Estas mezclas han sido utilizadas muy exitosamente tanto para bases como para carpetas de rodamiento. Debido a la relativa sencillez del equipo de planta 45 necesario y a los altos volúmenes de producción posibles, estas mezclas son económicamente atractivas cuando se requiere una mezcla de alta calidad para trafico pesado. En algunos casos, la performance a largo plazo de mezclas abiertas ha sido comparable con la de mezclas asfálticas en caliente. Estas mezclas han evidenciado buena resistencia a la fatiga, a la fisuración refleja, al ahuellamiento y a los desplazamientos.