septiembre 2008 - Cámara Colombiana de la Infraestructura

PROPUESTA TÉCNICA PARA GARANTIZAR LA
HOMOGENEIDAD DE LOS ASFALTOS PRODUCIDOS EN
LAS REFINERÍAS COLOMBIANAS
Consultoría realizada por:
Ingeniero HUGO LEON ARENAS LOZANO
Para la:
CÁMARA COLOMBIANA DE LA INFRAESTRUCTURA
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCION
2. QUE ESTA PASANDO EN LAS REFINERÍAS?
3. PROBLEMAS COMUNES EN UNA MEZCLA ASFALTICA
3.1 Posibles causas de fisuramiento prematuro
3.2 Posibles causas de desprendimiento de partículas
3.3 Posibles causas de de una deficiente afinidad con el agregado
3.4 Posibles causas de ahullamiento por deformación plástica de la mezcla
4. ESCENARIOS DE EVALUACION DE UNA SFALTO
4.1 ESCENARIO DE PRODUCCIÓN EN REFINERÍA O INDUSTRIA
ESPECIALIZADA
4.2 ESCENARIOS DE MANEJO
4.3 ESCENARIOS DE SERVICIO
5. VARIABILIDAD DE LOS ASFALTOS COLOMBIANOS EN REFINERIA
6. INFLUENCIA DE LA VARIABILIDAD DEL ASFALTO EN SUS
PROPIEDADES FISICAS, QUÍMICAS Y REOLOGICAS
6.1 VARIABILIDAD DE LA COMPOSICION QUIMICA
6.2 VARIABILIDAD DE LA CONSISTENCIA A TEMPERATURAS ALTAS Y
MEDIAS DE SERVICIO Y SU INFLUENCIA EN LAS PROPIEDADES
DINAMICAS DE LAS MEZCLAS ASFALTICA
7. PROBLEMÁTICA ACTUAL EN OTROS PAISES
8. PROPUESTA DE UNA NUEVA ESPECIFICACIÓN PARA LOS ASFALTOS
COLOMBIANOS
8.1 REQUERIMIENTOS EXIGIDOS
8.1.1 ESCENARIOS DE EVALUACION: MANEJO
8.1.2 ESCENARIOS DE EVALUACION: SERVICIOS
8.2 ESPECIFICACION PROPUESTA
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad las estructuras de pavimentos en nuestro país requieren de
mantenimiento funcional y estructural antes de lo previsto, es decir, las estructuras
no están cumpliendo con el periodo de diseño para la cual fueron diseñadas. Este
fenómeno se debe entre otras cosas a la calidad de los materiales, diseños y
procesos constructivos del pavimento.
Algunos constructores sospechan que este fenómeno se debe a la calidad del
asfalto utilizado en la elaboración de las mezclas asfálticas en caliente. Se
fundamentan en que los agregados no han cambiado, son de la misma cantera - la
fórmula de trabajo encaja perfectamente y con su filler correspondiente (esto es de
lo poco que puede comprobarse a “posteriori”)…, la temperatura de fabricación en la
planta en ningún momento se ha disparado…, el extendido se ha hecho con
temperaturas y climatología dentro de lo autorizado…, los parámetros de
compactación de la mezcla obtenidos del tramo de prueba se han cumplido al pie de
la letra…, etc., etc. (factores todos ellos muy difíciles de comprobar al cabo de seis
meses).
De igual manera, empresas encargadas de la transformación y comercialización de
productos
asfálticos
en
Colombia
han
manifestado
inconformidad
en
la
homogeneidad de los asfaltos suministrados en el país. Esta variabilidad del
producto los obliga a realizar reformulaciones y cambios en los estándares de
producción, asumiendo los incrementos en los costos del mismo.
Con base a lo anterior y a registros que se tienen de mediciones de tipo físicas y
químicas de las principales propiedades de los asfaltos colombianos que se
producen en refinería, se han detectado problemas de estabilidad y homogeneidad
del asfalto utilizado en la elaboración de las mezclas asfálticas, que hacen que se
2
presente a este material como el sospechoso principal en la causa del deterioro
prematuro de nuestros pavimentos y se reflejen las falencias de las actuales
especificaciones para controlar tan altas variaciones. Expertos en el tema, basados
en experiencias e investigaciones, sospechan que los problemas de homogeneidad
y estabilidad de los asfaltos se inician en el proceso de refinación del crudo.
Ante todo esta problemática surge un interrogante, ¿Las especificaciones actuales
son suficientes para garantizar el buen desempeño de los asfaltos utilizados para la
elaboración de mezclas asfálticas en caliente a lo largo de la vida útil del
pavimento? ¿Tienen en cuenta la variabilidad de las características del asfalto
debido a cambios en los crudos y/o procesos de obtención en la refinería?
Con este análisis se pretende elaborar un documento que sirva de referencia en la
propuesta, estudio y posterior discusión de la Cámara Colombiana de la
Infraestructura con las entidades gestoras de los proyectos, acerca de la necesidad
de implementar una nueva especificación de los cementos asfálticos utilizados en la
producción de las mezclas asfálticas en caliente, que garanticen una mayor
homogeneidad del producto y se adapte a las condiciones de clima y tránsito de
nuestro país. Para la redacción de este documento, se tomó como ejemplo un
esquema de análisis recomendado por la dirección General de Carreteras del
Ministerio de Fomento de España y se fundamentó en estudios realizados en otros
países que tienen condiciones geográficas similares, así como una alta trayectoria
investigativa en el campo.
Este documento se debe evaluar y poner a consideración de los distintos entes
encargados de la normalización y producción de asfalto, así como del gremio de
constructores y legisladores viales de nuestro país, con el fin de que sea tomado
como la base para dar inicio a eventuales discusiones técnicas que lleven a la
modificación y/o complementación en la medida que el desarrollo tecnológico lo
requiera.
3
2. QUE ESTA PASANDO CON LAS REFINERÍAS?
Dentro de los Materiales que conforman las superficies de rodadura flexibles en una
estructura de pavimento, sin lugar a dudas, el ligante y los agregados son los
principales responsables del su buen comportamiento a lo largo de toda su “vida
útil”. Sin embargo, además de estos materiales, existen otros factores que influyen
de forma determinante en el buen funcionamiento de las capas de una estructura de
pavimento: el diseño de la mezcla, la elección adecuada de los materiales, el
cumplimiento de los distintos parámetros de fabricación, la consecución de la
fórmula de trabajo prevista, el extendido y la compactación en condiciones y con
maquinaría adecuadas a cada tipo de mezcla, etc.
Unido a lo anterior, la poca o nula información que provee el productor de asfalto
sobre las características del proceso utilizadas para la obtención del ligante, hacen
que se presente a este material como el sospechoso número uno en la causa del
deterioro prematuro de nuestros pavimentos; quizás por ser ellos los materiales más
complejos y desconocidos de los que se utiliza para la elaboración de las mezclas
es que se trata de hacerle recaer la responsabilidad de los problemas.
En el siglo pasado, las cargas o dietas de crudo que se utilizaban en refinería para
obtener los asfaltos, eran homogéneos y muy conocidos, al igual que los
parámetros operativos de las refinerías. Por lo general los yacimientos utilizados
han llegado a su etapa final de producción, siendo necesario acudir a nuevas
fuentes o materia prima. Como no todas las fuentes de crudo son aptas para
producir un “buen” asfalto, es necesario realizar una mezcla proveniente de varias
fuentes, que permita obtener productos entre los estándares predefinidos por las
especificaciones.
4
La creciente industrialización de los países en vías de desarrollo, está llevando al
límite la capacidad de producción mundial de las refinerías de petróleo, siendo
necesario la construcción de nuevas y más modernas infraestructuras de refino de
crudos, más eficientes que las actuales, en los países industrializados.
La selección de un determinado esquema de refino depende de dos factores
fundamentales: el mercado al que se dirige la producción y las características de los
crudos que se prevé refinar. La mayoría de reservas existentes están formadas por
crudos pesados y agrios, mientras que los depósitos de crudos ligeros y extraligeros
y de bajo contenido en azufre, requeridos por aquellas refinerías con poca
capacidad de conversión, son más escasos y se están agotando a mayor velocidad.
Esta tendencia hace que en el diseño de las refinerías se contemple la alimentación
con crudos medios y pesados de calidad decreciente, de mayor disponibilidad en el
mercado, que requieren procesos de conversión profunda para eliminar o disminuir
al máximo la generación de residuos.
5
3. PROBLEMAS COMUNES EN UNA MEZCLA ASFÁLTICA
Tomando como base la información recopilada de distintas fuentes de usuarios del
cemento asfáltico y los estudios al respecto a nivel nacional e internacional, se
pueden diferenciar los siguientes problemas de la mezcla asfáltica relacionados en
mayor o menor grado con un deficiente comportamiento del ligante asfáltico. Estos
son:
 Fisuramiento a temprana edad
 Desprendimiento de partículas de agregado
 Mala adherencia asfalto-agregado, y
 Ahuellamiento
Cada una de estos problemas está relacionado de manera directa o indirecta con la
producción del ligante en refinería, deficiente control de calidad en los distintos
procesos utilizados para producir la mezcla en la planta asfáltica, las limitaciones
propias de las especificaciones utilizadas para controlar la calidad del ligante, los
procesos de construcción, la falta de comunicación entre el proveedor del ligante y
usuario, variabilidad de las características del ligante que llega a la planta, entre los
más importantes.
3.1 POSIBLES CAUSAS DEL FISURAMIENTO PREMATURO
 Deficiente diseño estructural
 Deficiencias en proceso constructivo
 Deficiente calidad de los materiales
 Rigidización acelerada del asfalto
6

Problemas en planta

Alto porcentaje de vacíos

Mal diseño de la mezcla asfáltica

Material fino activo en el agregado

Tipos de crudos y procesos de obtención en refinería
3.2 POSIBLES CAUSAS DEL DESPRENDIMIENTO DE PARTICULAS
 Deficiente diseño de la mezcla
 Envejecimiento del asfalto

Problemas en planta

Alto porcentaje de vacíos

Mal diseño de la mezcla asfáltica

Material fino activo en el agregado

Tipos de crudos y procesos de obtención en refinería
3.3 POSIBLES CAUSAS DE UNA DEFICIENTE AFINIDAD CON EL AGREGADO
 Deficiente diseño de la mezcla
 Problemas durante la fabricación de la mezcla en planta
 Material fino activo en el agregado
 Tipos de crudos y procesos de obtención en refinería
3.4 POSIBLES CAUSAS DEL AHUELLAMIENTO POR DEFORMACION PLASTICA
DE LA MEZCLA
 Deficiente diseño de la mezcla

Calidad de los agregados

Características granulométricas
7
 Poca capacidad elástica del asfalto
Como se observa, a excepción de los problemas de ahuellamiento, existe una
causa común en los diferentes problemas, que hace referencia al ligante
bituminoso: El tipo de crudo utilizado y el proceso de obtención en la refinería.
Figura 1. Efectos de problemas de humedad del agregado durante la fabricación de
la mezcla asfáltica en planta
No podemos desviar la atención de las otras causas relacionadas con los procesos
de producción en la planta y colocación en obra, así como las características de los
agregados, entre otros factores igualmente importantes para la durabilidad del
pavimento. Un asfalto normal y que cumpla con las especificaciones puede salir
envejecido debido a factores relacionados con malos manejos de los materiales en
la planta. Agregados con exceso de humedad, debido a problemas de
almacenamiento, pueden generar que quede incluido vapor de agua entre el ligante
y la partícula, reflejándose en problemas de adherencia. De igual manera, puede
quedar agua libre entre las partículas reflejándose en problemas de cohesión,
generando el fenómeno de desprendimiento de partículas (figura 1).
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4. ESCENARIOS DE EVALUACION DE UN ASFALTO
Cuando se desea conocer el comportamiento de un material es necesario definir
muy bien cuál es el escenario de evaluación que más se acerque a las condiciones
simuladas en un ensayo de laboratorio. En un asfalto se distinguen tres escenarios
a tener en cuenta para evaluar su comportamiento:
 El escenario de producción
 El escenario de manejo
 El escenario de servicio
4.1
ESCENARIO
DE
PRODUCCIÓN
EN
REFINERÍA
O
INDUSTRIA
ESPECIALIZADA
En este caso el conocimiento que se tiene de los distintos procesos relacionados
con la producción del asfalto son muy limitados, debido a la poca o nula
comunicación entre el fabricante y el usuario, en nuestro caso: ECOPETROL y
constructor. Poco se conoce sobre el tipo de crudos y los procesos de obtención
utilizados para obtener el cemento asfáltico. Este escenario debería ser el menos
importante si no existiera una alta variabilidad en las características del asfalto. En
este momento, es necesario que el ingeniero intervenga de manera activa en este
proceso, aportando los fundamentos técnicos que permitan tener un producto
homogéneo y confiable.
4.2 ESCENARIO DE MANEJO
Comprende los diferentes procesos que se realizan para elaborar la mezcla asfáltica
en la planta: calentamiento de los materiales, almacenamiento y conducción del
asfalto, proceso de mezclado con los agregados y transporte a la obra, así como los
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procesos que tienen que ver con las acciones de extendido y compactación de la
mezcla. Este escenario es tan importante como los otros, ya que cualquier
deficiencia del producto se reflejará en un mayor grado de envejecimiento del
ligante y posteriormente en problemas de la mezcla en servicio. Todas las variables
involucradas en este escenario se deben controlar a través de un riguroso control de
calidad, basados en ensayos que reproduzcan de manera confiable las condiciones
que prevalecen en los diferentes procesos.
4.3 ESCENARIO DE SERVICIO
Corresponde al comportamiento de la mezcla asfáltica bajo la acción del tránsito
vehicular, el clima y el mismo hombre. En servicio, el asfalto en contacto directo con
las cargas del tránsito, clima y demás agentes externos, seguirá su proceso de
envejecimiento con una mayor o menor intensidad dependiendo de lo vulnerable
que sea la mezcla. En esto tiene mucho que ver la eficiencia en el proceso de
compactación de las capas asfálticas que dependerá no solo de los equipos
disponibles, sino también de los controles de calidad exigidos para garantizar que la
mezcla adquiera y desarrolle las propiedades mecánicas necesarias que garanticen
un buen perfomance en servicio.
El asfalto y el agregado trabajan de manera solidaria para responder de la mejor
manera a las distintas solicitaciones durante el periodo de servicio. Algunas veces,
el ligante debe aportar más a ese trabajo, sobre todo a temperaturas bajas y medias
de servicio, en donde se requiere que la mezcla tenga una alta resistencia a la
fisuración, es en este momento que entra a trabajar la capacidad elástica del
ligantes y su ductilidad. A temperaturas altas, el agregado debe responder en mayor
grado a esas solicitaciones ya que el ligante disminuye su poder cohesivo y
aglutinante. El agregado con su capacidad friccionante debe satisfacer ese
requerimiento y si no lo hace, el asfalto debe modificar sus propiedades para
complementar ese requerimiento (asfaltos modificados).
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5. VARIABILIDAD DE LOS ASFALTOS COLOMBIANOS EN REFINERÍA
El proceso y los crudos utilizados en refinería son fundamentales en la calidad final
del cemento asfáltico. Los crudos que se cargan a la torre de destilación no siempre
son los mismos. Las variaciones en la dieta o mezcla de crudos determinadas por
presiones de mercado o situaciones políticas, hacen que haya variaciones en las
propiedades químicas del ligante asfáltico a pesar de que se cumplan las
especificaciones exigidas de penetración, reflejándose en problemas a edad
temprana de la mezcla asfáltica en servicio de difícil detección durante el proceso
de elaboración en la planta.
En la refinería de Apiay no debería presentarse este problema, ya que se utiliza solo
una mezcla entre los crudos Castilla y Rubiales. En la refinería de Barrancabermeja
si debe ser un problema difícil de controlar. Estos cambios se ven reflejado en las
propiedades del asfalto y la mezcla asfáltica. En el asfalto, en la estructuración de
los principales grupos moleculares, que puede llevar al desequilibrio de los
asfaltenos, con la consiguiente precipitación y cambio en las propiedades físicas y
reológicas: aumento de la susceptibilidad térmica, incremento del contenido de
ceras, aumento o disminución de la componente viscosa o elástica, pérdida de
ductilidad, etc. En la mezcla, durante la producción en planta y si no se cuenta con
un eficiente control de calidad: variaciones en los parámetros de manejo durante el
proceso de mezclado, variación de la manejabilidad de la mezcla durante la
colocación y compactación, variación en las características mecánicas de la mezcla
con la consiguiente disminución de su vida útil. En muchos casos será el causante
de un envejecimiento de la mezcla si no se hace una revisión de las temperaturas
previamente determinadas durante la calibración de la planta, reduciendo
igualmente, la vida en servicio debido a una prematura rigidización y posterior
fisuración bajo las condiciones de servicio . Si se lleva un buen control de calidad y
se detecta el problema, se debe igualmente, revisar el diseño de la mezcla, pues
11
dichas variaciones hacen que varíen también las propiedades Marshall de la mezcla
(ver tabla 1).
Tabla 1. Variaciones de la fórmula de trabajo debido a
cambios en el asfalto (Huber 1991)
PROPIEDAD
ASFALTO 1
ASFALTO 2
Temperatura Mezclado, ºC
132
156
Temperatura Compactación, ºC
121
142
% de asfalto
5
6
% de vacíos
4
4
% VMA
13
16.3
Estabilidad, lbs
2500
2400
Flujo, 0.01 pg
7
11
Este factor también es importante para las empresas encargadas de producir
asfaltos modificados, ya que la variación en la homogeneidad del asfalto debido a
los procesos en refinería, se ve reflejado en las fluctuaciones de la formulación
previamente establecida. En muchos casos y dada la alta demanda del producto no
se hacen las correcciones necesarias y será la causa de un mal comportamiento del
producto en la mezcla: separación del modificador, rigidización a temprana de la
mezcla y fisuramiento seguro bajo la acción del tránsito, entre otros problemas.
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Figura 2. Microfotografías tomadas a un asfalto convencional de Barrancabermeja
AC 80-100
En la figura 2 se puede ver una fotografía tomada a un asfalto de Barrancabermeja
en donde se observa la presencia de varias fases en el ligante, indicativo de un
deficiente proceso de blending o mezclado en refinería.
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6. INFLUENCIA DE LA VARIABILIDAD DEL ASFALTO EN SUS PROPIEDADES
FISICAS, QUÍMICAS Y REOLOGICAS
De acuerdo con la información proporcionada por diversas empresas de la
construcción y productoras de asfalto, se muestra a continuación, como varían las
principales propiedades de los asfaltos que se producen en las refinerías del país.
6.1 VARIABILIDAD DE LA COMPOSICION QUIMICA
Figura 3. Variación de la capacidad de floculación de los asfaltenos
En las figuras 3 y 4 se pueden observar grandes variaciones de la composición
química de los asfaltos producidos en las refinerías. En ellas se muestran como los
diferentes grupos moleculares determinados a través del método de fraccionamiento
SARA, cambian con el tiempo, en especial las fracciones asfaltenos, resinas y
aromáticos. Estas fluctuaciones reflejan la gran variabilidad de los procesos en el
escenario de producción y que repercute en los cambios de las características de
14
las mezclas que se fabrican en la planta y su comportamiento posterior en servicio.
Se observan disminuciones drásticas de la relación resina/asfalteno, lo cual puede
ser causa de una rigidización prematura del ligante, haciéndolo más susceptible a
las condiciones de envejecimiento bajo condiciones normales durante el proceso de
mezclado con los agregados en la planta. Esta rigidización se reflejará en
problemas prematuros de adherencia, desprendimiento de partículas y fisuramiento
por fatiga bajo la acción de las cargas del tránsito, dependiendo de su intensidad y
condiciones mismas del proyecto. Sería conveniente hacer un seguimiento al
comportamiento de estas mezclas producida con el asfalto de fecha 27-11-2007, o
con los que presentan una relación baja de dicha relación molecular.
Figura 4. Variación de los principales grupos moleculares
15
6.2 VARIABILIDAD DE LA CONSISTENCIA A TEMPERATURAS ALTAS Y MEDIAS
DE SERVICIO Y SU INFLUENCIA EN LAS PROPIEDADES DINAMICAS DE LAS
MEZCLAS ASFALTICAS
En la figura 5 se puede ver claramente, una de las falencias grandes que tiene el
especificar por grado de penetración. El asfalto cumple con dicha especificación
pues se mantiene entre la penetración mínima y máxima exigida (80-100), pero no
tiene en cuenta que no solo es esta propiedad la que está variando, si no que esta
variabilidad con el tiempo, está relacionada con los cambios en las dietas de crudo
y/o proceso de obtención del asfalto en la refinería. Estas variaciones no son solo
físicas, si no que es un reflejo de la variación de los distintos grupos moleculares
observados en las figuras 3 y 4.
Figura 5. Variación de la consistencia a temperaturas medias y altas de servicio
16
La clasificación por grado de penetración no garantiza por sí sola una calidad
uniforme en el asfalto. Es una condición de fácil cumplimiento por los productores,
que no minimiza los cambios en la composición química y estructuración molecular.
Igualmente,
se
observan
fluctuaciones de
la
temperatura
del punto
de
ablandamiento, reflejándose en cambios en la susceptibilidad térmica, un parámetro
que depende de manera directa del tipo de carga de crudos y procesos de
obtención del ligante en refinería y que al mostrar una gran fluctuación, se verá
reflejada en las características dinámicas de la mezcla asfáltica, con la consiguiente
variación de la vida útil del pavimento (variación de los ejes equivalentes de diseño).
Figura 6. Variación de la susceptibilidad térmica y la consistencia a altas
temperaturas
Estas variaciones serán causales de aparición de problemas a temprana edad en
las mezclas una vez se encuentren bajo las condiciones de servicio que obligarían a
realizar cambios en los parámetros de fabricación en planta y compactación en
17
obra. Los problemas más frecuentes que suelen relacionarse con estos cambios en
la composición química son: rigidización de la mezcla por un envejecimiento
acelerado del ligante, desprendimiento de partículas y disminución de la adherencia,
acentuados aun mas, si se han utilizado crudos con alto contenido de saturados tipo
parafínico o un incremento de los mismos durante el proceso de refinación.
Fenómenos como la floculación y posterior precipitación de los asfaltenos, pueden
ser también una causa potencial a evaluar en cada uno de estos problemas, todo
esto debido a fluctuaciones marcadas en la composición química y estructuración
molecular.
Figura 7. Influencia del cambio en la composición química del asfalto en el
comportamiento dinámico de las mezclas asfálticas
La viscosidad a 60 ºC, como parámetro reológico, también presenta variaciones
importantes durante el tiempo de análisis evaluado (figura 6). Estas variaciones
están directamente relacionadas con variaciones de los parámetros de producción
en la refinería y se reflejará de manera directa en la intensidad de las distintas
componentes de la rigidez: elástica y viscosa. Igualmente, contenidos altos de cera
hacen que las viscosidades disminuyan en mayor o menor grado dependiendo del
tipo y grado de cristalización, que a su vez dependerá de los crudos utilizados y/o
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proceso de obtención. El especificar un valor mínimo de este parámetro reológico,
hace que la mezcla entre las temperaturas bajas y medias de servicio, pueda
adquirir un alto grado de rigidización y fragilidad. Se debe establecer un límite
máximo que controle esta rigidización, acentuada aún más por la presencia de altos
contenidos de ceras.
Figura 8. Influencia del cambio en la composición química del asfalto en la rigidez
de las mezclas asfálticas
La viscosidad es una medida reológica que depende de la estabilidad de los
distintos grupos moleculares que lo conforman. Las moléculas se ven sometidas a
19
diferentes tipos de fuerzas intermoleculares que hacen más fuerte o débil el sistema
coloidal, generando mayores o menores cambios, manifestados en su forma de
responder ante las diferentes solicitaciones externas: temperaturas de mezclado,
cargas durante el proceso constructivo, clima, etc. Por lo tanto esta propiedad, es
una respuesta de la composición química y estructuración molecular que dependerá
en un alto grado de los crudos utilizados como carga en refinería y de los procesos
para obtener el asfalto de manera directa o por mezclado con otros productos del
mismo proceso. Por lo tanto, si controlamos este parámetro para que se mantenga
en un rango de valores se estaría garantizando una menor variabilidad de los
procesos y crudos en refinería.
En las figuras 7 y 8 se puede observar, como las variaciones de la susceptibilidad
térmica del ligante, ocasionada por cambios en la composición química de asfalto
por variabilidad en los procesos en el escenario de producción, influyen de manera
directa en la rigidez de la mezcla asfáltica y ejes equivalentes que puede soportar
en un periodo de análisis determinado. Estas variaciones son más sensibles a
temperaturas entre bajas y medias de servicio.
20
7. PROBLEMÁTICA ACTUAL EN OTROS PAÍSES
En los países vecinos el panorama no es tan diferente. La tendencia es cambiar
sus especificaciones basadas en grados de penetración a grados de viscosidad
incluyendo otras propiedades y ensayos de evaluación que permitan una mayor
relación con las condiciones de servicio, basándose en los siguientes
fundamentos:
 El ensayo de penetración es una medida de la consistencia de un
cemento asfáltico a temperaturas medias de servicio (25 ºC), siendo este
un ensayo físico y empírico que muy posiblemente satisfizo los
requerimientos de otra época en cuanto a solicitaciones y crudos
disponibles. Las condiciones han cambiado
 Las especificaciones actuales no tienen en cuenta los problemas
relacionados con la variación de la viscosidad del ligante en amplios
rangos, lo cual es indicativo de variaciones en los procesos de producción
del asfalto en refinería
 Estos cambios o fluctuaciones en los procesos en refinería se ven
reflejados también en variaciones de la susceptibilidad térmica de las
mezclas y su efecto en su comportamiento en servicio, ya que es
imposible que el diseñador tenga en cuenta esta variabilidad en la etapa
de evaluación estructural para determinar los espesores de las distintas
capas.
 La viscosidad es una medida reológica que depende de la estabilidad de
los distintos grupos moleculares que lo conforman.
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En los anexos se pueden ver algunas de las especificaciones para asfaltos
utilizadas actualmente por países como Argentina y Chile considerados pioneros
investigadores en la tecnología del asfalto y Venezuela, el más grande proveedor de
asfalto para satisfacer el mercado de los Estados Unidos, así como las de las
especificaciones ASTM, utilizadas como referente por la mayoría de los países.
22
8. PROPUESTA DE UNA NUEVA ESPECIFICACION TÉCNICA PARA
HOMOGENIZAR LOS ASFLATOS COLOMBIANOS
Para definir la especificación se siguió la siguiente metodología, acorde a lo
recomendado por investigadores en otros países que tienen un mayor desarrollo
tecnológico e investigativo:
a. Establecer los requerimientos exigidos a los asfaltos y mezclas asfálticas en
los dos escenarios: manejo y servicio
b. Establecer de manera clara cuales son las propiedades de los ligantes
asfálticos que tienen relación directa con el comportamiento en esos
escenarios de evaluación.
c. Establecer los métodos de evaluación (ensayos) de dichas propiedades.
8.1 REQUERIMIENTOS EXIGIDOS A LAS MEZCLAS ASFALTICAS Y LIGANTE
ASFALTICO Y PROPIEDADES FUNDAMENTALES A ESPECIFICAR
8.1.1 ESCENARIO DE EVALUACIÓN: MANEJO. En este caso se debe
considerar que el asfalto a las temperaturas de manejo es un fluido y su
comportamiento dependerá en gran parte de las temperaturas. Cada
planta debe satisfacer sus requerimientos particulares de capacidad de
conducción del asfalto al sistema de mezclado, para lograr que el asfalto
recubra a la partícula de agregado de una manera uniforme, sin
problemas de escurrimientos (MANEJABILIDAD) y minimizando el
envejecimiento (DURABILIDAD) del mismo. Igualmente, el cemento
asfáltico debe garantizar requerimientos mínimos que permitan un manejo
seguro (SEGURIDAD EN LA OPERACIÓN).
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La manejabilidad se puede controlar a través de la exigencia de valores máximos de
la viscosidad a 135 oC, temperatura promedio durante las operaciones de mezclado.
De igual manera, es necesario que se minimicen los cambios en la composición
química durante las operaciones en planta, para lo cual se debe garantizar que el
grado de envejecimiento del asfalto durante el proceso de elaboración de la mezcla
se encuentre alrededor de lo medido a través del ensayo al horno en película
delgada. Se recomienda incluir un índice de durabilidad: relación entre la viscosidad
absoluta a 60 oC del asfalto envejecido a través del TFOT o RTOT y la misma
viscosidad del asfalto que llega de la refinería. Este índice será complementado
controlando el grado de volatilización de las fracciones más volátiles del asfalto, a
través del porcentaje de pérdida de masa en el mismo ensayo y las características
elásticas que debe poseer al salir de planta a través de la medida de la ductilidad.
Con esto se está garantizando de manera indirecta una cierta homogeneidad de los
crudos y un alto grado de consistencia en los procesos en refinería. Este indicativo
del envejecimiento se debe garantizar también durante la elaboración de la mezcla
asfáltica independientemente del tipo de planta utilizada. Con ello se podrá tener
información real sobre el verdadero envejecimiento de nuestros asfaltos y la
influencia que sobre él tienen los diversos procesos de producción, permitiendo
hacer afinamientos reales a las especificaciones propuestas de asfaltos ya que el
tipo de planta también es una variable que juega un rol fundamental en el
comportamiento del ligante en servicio.
Por su parte, la seguridad se puede garantizar exigiendo un valor mínimo a través
del ensayo de punto de llama.
En la tabla 2 se puede ver un resumen de los requerimientos, propiedades y
ensayos recomendados para este escenario de evaluación.
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Tabla 2. Requerimientos exigidos en el escenario de manejo
COMPORTAMIENTO
PROPIEDAD
METODO O ENSAYO DE
FUNDAMENTAL
EVALUACION
Viscosidad
Viscosidad a 135 ºC
Temperatura
Punto de llama
Manejo

Mezclado

Extendido

Compactación
Seguridad de manejo
Durabilidad

Composición química

Ductilidad

Ensayo al horno en película delgada

Índices de durabilidad

Ductilidad a 25 ºC
8.1.2 ESCENARIO DE EVALUACION: SERVICIO
a. Temperaturas altas de servicio. La mezcla debe garantizar una mínima
rigidez y una alta componente elástica que permitan controlar los problemas
de ahuellamiento. En la mayoría de los casos es posible lograr un buen
comportamiento de la mezcla mediante la selección del tipo de agregado,
distribución granulométrica y relaciones volumétricas de la mezcla a través
del diseño de la mezcla. El asfalto, como componente solidario, debe proveer
una alta consistencia reflejado en una alta componente elástica (RIGIDEZ).
En este caso se utiliza a la viscosidad a 60 oC como parámetro de control,
complementada con la determinación del Factor de ahuellamiento como
medida de la magnitud de la componente elástica. Este valor se requiere
para tener información de soporte que permita o no su inclusión en reformas
posteriores, además de ir incluyendo parámetros reológicos que modelen
situaciones reales en servicio.
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b. Temperaturas entre medias y bajas de servicio. Se requiere que la mezcla
asfáltica tenga una alta flexibilidad (RIGIDEZ) para disminuir los riegos de
fisuramiento bajo la acción de las cargas de tránsito. La verdadera manera de
evaluar dicho comportamiento es a través de medidas reológicas que
permitan tener en cuenta la respuesta de la mezcla bajo solicitaciones de
temperatura y cargas. Igualmente, a medida que la temperatura disminuye, la
influencia del ligante es más importante.
Se requiere entonces, que el
asfalto no varíe en un amplio rango su rigidez ante cambios de solicitación o
temperatura (SUSCEPTIBILIDAD) y que además tenga una alta componente
elástica que lo haga flexible. En este caso se especifican valores del índice
de penetración y una penetración mínima (valores que deben ser evaluados
a través del comportamiento en obra). Estos valores se complementarán con
la información del Factor de Fisuramiento, que permitirá tener registros
reológicos para evaluar su inclusión en futuras especificaciones.
Otro parámetro que permite controlar el grado de rigidización de la mezcla es
garantizando un bajo grado de floculación de asfaltenos, ocasionado por la
presencia de un alto contenido de ceras y/o procesos de producción, para ello se
incluye el equivalente Xileno-heptano.
En la tabla 3 se muestra un resumen de los requerimientos, propiedades y ensayos
de evaluación requeridos en servicio.
26
Tabla 3. Requerimientos exigidos al asfalto a temperaturas de servicio
COMPORTAMIENTO
PROPIEDAD FUNDAMENTAL
METODO O ENSAYO DE
EVALUACION
Temperaturas Altas de servicio

Deformación permanente

Exudación
Temperaturas medias de servicio

Fisuramiento por cargas

Rigidez, Viscosidad

Viscosidad a 60 ºC

Factor de Ahuellamiento,
DSR

Rigidez

Factor de fisuramiento DSR

Susceptibilidad Térmica

Índice de penetración

Composición química

Equivalente Xileno-heptano
(floculación de asfaltenos)

Contenido de ceras
c. Temperaturas bajas de servicio. Colombia es un país tropical en donde más
del 90% de las regiones tienen una temperatura mayor a los 15 oC, por lo que
este caso no es común en nuestro país, y los esfuerzos producidos por cambios
en la temperatura y que pueden llevar al fisuramiento de la mezcla asfáltica por
su alta rigidez, se puede regular de manera indirecta controlando la
susceptibilidad térmica del ligante. En la figura 9 se observa una distribución del
clima en nuestro país.
Figura 9. Mapa climatológico colombiano
27
8.2.
ESPECIFICACION PROPUESTA
De acuerdo a las consideraciones anteriores y con el fin de restringir el ámbito de
variación del producto en refinería, mediante el requerimiento de propiedades
fundamentales al asfalto que reproduzcan en mayor grado las condiciones en los
diferentes escenarios, medidos a través de ensayos de fácil implementación y que
muy seguramente, y de acuerdo a los registros estadísticos de las evaluaciones
físicas del asfalto que se produce en refinería, se propone la especificación que se
muestra en la tabla 3 basada en grados de Viscosidad. Inicialmente, se presentan
tres tipos de asfaltos AC-10, AC-20 y AC-30, que son equivalentes a los AC 80-100
y AC 60-70 de la especificación vigente y un AC 40-50, de acuerdo con la
equivalencia que se muestra en la figura 10.
Figura 10. Equivalencia entre las especificaciones por grados de penetración y
viscosidad
28
Tabla 3. Especificación propuesta para los asfaltos producidos en las refinerías
Colombianas
ESPECIFICACIÓN PROPUESTA
CARACTERÍSTICAS
GRADO DE VISCOSIDAD
UNIDAD
NORMA
AC 10
AC 20
AC 30
Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx.
Viscosidad Absoluta (60°C)
Viscosidad Cinemática (135°C)
P
cSt
Penetración (25°C, 100g, 5s)
Índice de Penetración
Solubilidad en triclorotileno
0,1 mm
Equivalente Xileno - Heptano
%
Punto de ignición
Ceras
°C
%
%
E-716 o E717
E-716 o
ASTM 2170
E-706
E-724
E-713
NLT-135 o
Similar
E-709
UOP 46-64
800
1200 1600 2400 2400 3600
300
300
300
80
-1
99
1
-
60
-1
99
1
-
50
-1
99
1
-
-
30
-
30
-
30
230
3
230
3
230
3
ASFALTO ENVEJECIDO EN EL ENSAYO DE PELICULA DELGADA EN MOVIMIENTO (E-720)
Pérdida de masa
Índice de durabilidad
Ductilidad (25°C, 5 cm/min)
%
cm
E-720
E-702
75
1
3
-
3
50
40
1
3
-
PROPIEDADES A REPORTAR PERIODICAMENTE
Factor de fisuramiento (G* x
senδ) a 25ºC, del residuo del
envejecimiento según E-720;
Factor de fisuramiento (G* x
senδ) a 25ºC, del residuo del
envejecimiento a través de PAV
Factor de ahuellamiento (G* /
senδ) a 64ºC, del residuo del
envejecimiento según E-720
Indice de Inestabilidad Coloidal
29
Los grados de asfalto propuesto AC 10, AC 20 y AC 30, corresponden
aproximadamente a los grados de comportamiento PG 58-22 y PG 64-22
respectivamente de la clasificación SHRP.
30
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1. Existe una alta variabilidad y heterogeneidad de los asfaltos producidos en las
refinerías colombianas debido a cambios en los crudos y/o procesos de
obtención.
2. Es una realidad y así lo demuestran los pocos, pero válidos registros
estadísticos que se tienen y la confirmación de ECOPETROL sobre el problema
de HETEROGENEIDAD que se tiene en los asfaltos que ella produce, pero eso
no quiere decir que siempre se esté produciendo un asfalto no apto como
ligante. El problema real es que con esa variabilidad el contratista y/o productor
de la mezcla asfáltica, se vería avocado a cambiar sus diseños cada vez que
llega un asfalto, variar su gradación, sus temperaturas, etc. Esto no es posible
hacerlo y no debe asumirlo el contratista y/o productor de la mezcla.
3. Los cambios o fluctuaciones en los procesos en refinería se ven reflejados en
variaciones de la susceptibilidad térmica de las mezclas y su efecto en su
comportamiento en servicio.
4. Desde hace muchos años las especificaciones se han basado en la medida de la
penetración, como una medida de la consistencia de un cemento asfáltico a
temperaturas medias de servicio (25oC), siendo este un ensayo físico y empírico
que muy posiblemente satisfizo los requerimientos de otra época en cuanto a
solicitaciones y crudos disponibles.
5. La especificación por grado de penetración no puede regular, ni controlar, la
variabilidad y heterogeneidad del producto en refinería.
31
6. El cumplimiento por parte de ECOPETROL de las especificaciones actuales, no
garantiza por sí solo la homogeneidad del producto, ya que la composición
química puede variar dependiendo de la dieta de crudos utilizada y el proceso
utilizado para su obtención y con ella su comportamiento en servicio.
7. Las especificaciones actuales no tienen en cuenta los problemas que pueden
causar la variación de la viscosidad del ligante, lo cual es indicativo de
variaciones en los procesos de producción del asfalto en refinería.
8. La tendencia de los países es cambiar sus especificaciones basadas en grados
de penetración por nuevas especificaciones fundamentadas en grados de
viscosidad, además de incluir nuevos parámetros reológicos que tengan mejor
relación con su comportamiento en servicio.
9. La viscosidad como tal, a pesar de ser una medida reológica, no refleja por sí
sola el carácter viscoelástico del asfalto a las temperaturas entre bajas y medias
de servicio, por lo que es necesario complementarla con medida de la magnitud
de las componentes viscosa y elástica. Es por eso que se recomienda iniciar con
la recopilación de información sobre valores del factor de ahuellamiento y
fisuramiento que tiene el asfalto, con el fin de poder ir involucrándolas dentro de
las especificaciones, con unos valores propios del comportamiento del ligante
bajo las condiciones locales.
10. Al exigir una viscosidad máxima a 135 ºC, se está garantizando una alta
susceptibilidad térmica del asfalto durante las operaciones de manejo,
disminuyendo los riesgos de envejecimiento. De todas maneras, se debe acudir
a la curva reológica para determinar las temperaturas óptimas de mezclado y
compactación para el diseño de la mezcla, como control de posibles problemas
de escurrimiento del asfalto por su alto grado de fluidez.
32
11. La inclusión en las especificaciones del índice de inestabilidad Coloidal, solo
sería indicativo de las proporciones de los distintos grupos moleculares
presentes en el asfalto, pero no de la forma o estructuración molecular,
estabilidad de las interacciones entre las moléculas polares y no polares, etc.
Además, es de difícil control debido a los altos costos del ensayo y limitados
laboratorios que lo realizan. Su reporte periódico permitirá, junto con otros
parámetros, comprender más el comportamiento del asfalto.
12. La composición química, la estructuración y asociaciones moleculares, se
reflejan en las propiedades mecánicas del asfalto y mezclas asfálticas y en su
comportamiento bajo condiciones reales de servicio. Controlando estas
variables, mediante una producción homogénea en cuanto a procesos y materia
prima (crudos), se minimizan las causas de los principales problemas de las
mezclas asfálticas relacionadas con el ligante.
13. El contenido de ceras debe ser garantizado por el productor (ECOPETROL o
empresa distribuidora), mediante la implementación del ensayo en sus
laboratorios. De igual manera, deben garantizar que los distintos procesos
utilizados para la producción del asfalto y posterior modificación, den como
resultado un producto homogéneo dentro de las especificaciones exigidas. Para
ello deben implementar los mecanismos de medida estadísticos necesarios que
permitan cuantificar y garantizar la capacidad de los procesos: histogramas,
gráficos de control, gráficos de probabilidad, etc.
14. Los asfaltos producidos por reducción directa muy seguramente, no tendrán
problemas para cumplir con el contenido de ceras especificado, ya que el
gasóleo hace parte de los componentes naturales y por lo tanto, se encontraría
formando parte de su estructura coloidal.
33
15. Se debe evaluar junto con ECOPETROL la factibilidad técnica y económica que
tienen, para producir asfaltos únicamente por reducción directa, así como los
grados de viscosidad AC-10, AC-20, AC-30 u otro en particular, que en un
momento dado puedan satisfacer los requerimientos del proyecto.
16. Una vez que ECOPETROL garantice la homogeneidad en dietas y procesos, se
debe evaluar si las mezclas que se producen con ese asfalto satisfacen los
requerimientos exigidos en un proyecto en particular o si es el caso entrar a la
modificación del mismo. Está demostrado que los asfaltos convencionales solo
se aplican con éxito en determinados proyectos y no para todos de manera
indiscriminada.
17. Es necesario desarrollar investigaciones interinstitucionales, que tengan como
finalidad el fundamentar unas especificaciones de ligantes bituminosos y
mezclas asfálticas, mas acordes a nuestro medio, partiendo de los estudios que
sobre el tema han realizado otros países con problemática similar.
18. Si se inicia un proceso de control sobre la variabilidad del asfalto que produce
ECOPETROL, mediante la exigencia de unos parámetros mínimos que
garanticen además una probabilidad alta de buen comportamiento bajo
condiciones normales, estaremos disminuyendo el riesgo de falla. Las
especificaciones actuales dejan abiertas muchas puertas que no permiten
controlar la producción, siendo este el principio fundamental de la actual
propuesta.
19. La
especificación
propuesta
se
basa
en
ensayos
más
acordes
al
comportamiento de un asfalto. No existe una especificación a nivel mundial que
garantice un éxito del 100% en obra. La idea es partir de esta propuesta e ir
complementándola con otros fundamentos de índole científico, sin llevarla a
niveles complejos y de difícil aplicación. Con esta especificación, además de ir a
34
la par con otros países en desarrollo, se obliga a ECOPETROL a controlar más
el producto final, ya que es prácticamente imposible cumplir con requerimientos
de viscosidad si siguen variando los procesos en refinería.
20. Las causales de un mal comportamiento de la mezcla asfáltica no solo
involucran al asfalto, hay muchas otras causas que tienen que ver con el control
de calidad, diseño de la mezcla, problemas constructivos, propiedades del
agregado, entre muchos otros.
21. Las características del ligante a utilizar en una mezcla asfáltica están
íntimamente ligadas a las propiedades de la misma, por lo tanto, las
especificaciones del cemento asfáltico deben estar en concordancia con las
especificaciones exigidas a las mezclas asfálticas y a los agregados pétreos
utilizados para su elaboración. Si se adopta una nueva especificación para los
cementos asfálticos es necesario revisar las especificaciones que se tienen
sobre las mezclas asfálticas densas en caliente.
35
ANEXOS
36
ESPECIFICACION ACTUAL DEL INVIAS 2007
CARACTERÍSTICAS
UNIDADES
Penetración (25°C, 100g, 5s)
Índice de Penetración
Viscosidad Absoluta (60°C)
Ductilidad (25°C, 5 cm/min)
Solubilidad en triclorotileno
Contenido de agua
Punto de ignición
ASFALTO ENVEJECIDO
0,1 mm
P
cm
%
%
°C
E-706
E-724
E-716/17
E-702
E-713
E-704
E-709
Mín.
60
-1
1500
100
99
230
Máx.
70
1
0,2
-
Mín.
80
-1
1000
100
99
230
Máx.
100
1
0,2
-
Pérdida de masa por
calentamiento en película
delgada en movimiento
(163°C, 75 minutos)
Penetración del residuo
luego de la pérdida por
calentamiento, en % de la
penetración original.
Incremento en el punto de
ablandamiento luego de la
pérdida por calentamiento en
película delgada en
movimiento
%
E-720
-
1
-
1
%
E-706
52
-
48
-
°C
E-712
-
5
-
5
ESPECIFICACIÓN INVIAS
NORMA DE
GRADO DE PENETRACIÓN
ENSAYO
INV
60 - 70
80 - 100
37
ESPECIFICACION PROPUESTA
ESPECIFICACIÓN PROPUESTA
CARACTERÍSTICAS
GRADO DE VISCOSIDAD
UNIDAD
NORMA
AC 10
AC 20
AC 30
Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx.
Viscosidad Absoluta (60°C)
Viscosidad Cinemática (135°C)
Penetración (25°C, 100g, 5s)
Índice de Penetración
Solubilidad en triclorotileno
Equivalente Xileno - Heptano
Punto de ignición
Ceras
E-716 o E717
E-716 o
cSt
ASTM 2170
0,1 mm
E-706
E-724
%
E-713
NLT-135 o
%
Similar
°C
E-709
%
UOP 46-64
P
800
1200 1600 2400 2400 3600
300
300
300
80
-1
99
1
-
60
-1
99
1
-
50
-1
99
1
-
-
30
-
30
-
30
230
3
230
3
230
3
ASFALTO ENVEJECIDO EN EL ENSAYO DE PELICULA DELGADA EN MOVIMIENTO (E-720)
Pérdida de masa
Índice de durabilidad
Ductilidad (25°C, 5 cm/min)
%
cm
E-720
E-702
75
1
3
-
3
50
40
1
3
-
PROPIEDADES A REPORTAR PERIODICAMENTE
Factor de fisuramiento (G* x
senδ) a 25ºC, del residuo del
envejecimiento según E-720;
Factor de fisuramiento (G* x
senδ) a 25ºC, del residuo del
envejecimiento a través de PAV
Factor de ahuellamiento (G* /
senδ) a 64ºC, del residuo del
envejecimiento según E-720
Indice de Inestabilidad Coloidal
38
ESPECIFICACIONES ASTM 2004
39
ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO IDU
ESPECIFICACIONES DE ARGENTINA
40
ESPECIFICACIONES DE ARGENTINA
41
ESPECIFICACIONES DE VENEZUELA
42
ESPECIFICACIONES DE CHILE
43