escuela superior de ingenieria quimica e industrias extractivas

IN S T IT U T O P O L IT E C N IC O N A C IO N A L
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
UNIDAD ZACATENCO
“C O N T R O L D E L A D E F O R M A C IO N D E L O S
A S F A L T O S E N B A S E A P O L IM E R O S ”
T E S I S
P A R A O B T E N E R E L T I T U L O DE:
IN G E N IE R O
P
R
Q U IM IC O
E
S
E
N
T
P E T R O L E R O
A
N
:
GARCIA ALVAREZ JUAN PABLO
NEGRETE GARIBAY RICARDO
M E X I C O D.F.
J U N I O D E 2006
J w
l i
IN S T IT U T O P O L IT E C N IC O N A C IO N A L
I SClrLA SIPER10R DL INGENIERÍA QIÍMICIE ;ND DIRIAS F \ I I A C T \ b
pr^cTAPP
_'F
e.-t^A'-1 '-i-op '“
A
D EPARTAM EN TO DE PRÁCTICAS, VISITAS Y TITULACIÓN
T-023-06
México, D.F, a 17 de mayo del 2006
99320494
Carrera
IQP
Generación-
C. J U A N P A B L O G A R C I A A L V A R E Z
RIC U R D O N E G R E T E G A R I B A Y
99320529
IQP
2001-2005
Boleta
2001-2005
Presente.
Los suscritos tenemos el agrado de informar a Usted que habiendo procedido a revisar
el borrador de la modalidad de titulación correspondiente, denominado
“ C o n t r o l d e la d e f o r m a c i ó n d e los asfaltos e n b a s e a p o l í m e r o s ”
encontramos que el citado P R O Y E C T O D E INVESTIGACION CGPt-2005515, reúne los
requisitos pata autorizar el Examen Profesional y P R O C E D E R A S U I M P R E SI ÓN según el
caso, debiendo tomar en consideración las indicaciones y correcciones que ai respecto se le
hicieron
Atentamente
JURADO
Ing ArielCiazbamga Delgado
Fraséente
/
ing José Alvarez Sánchez
Ing Rodolfo Martínez Hcrrma
Vocal
Secretario
IN S T IT U T O P O L IT E C N IC O N A C IO N A L
J
EsC L'Ll \ M T F R 1 0 R DE iNGENIERÍ\ QLIMIC \ 1 INDUSTRIAS E X T R A C 1IV \S
-f-
fLLCACU-N 31H
í-
D EPARTAMENTO DE PRACTICAS, VISITAS Y TITULACION
T-G23-06
México D F a 24 de abril del 2006
A los C Pasantes
J U A N P A B L O GARCIA A L V A R E Z
Boleta
Carrera.
99320494
IQP
Generación
2001-2005
RICARDO NEGRETE GARIBAY
99320529
IQP
2001-2005
Alondras No 30
Parque Residencial
Coacalco
Estado de México
C P 55720
Mediante el presente se hace de su conocimiento que este Departamento acepta que e*l C
In g , A r i e l D i a z b a r r i g a D e lg a d o ,
sea orientador en el Tema que propone usted desarrollar como
prueba escrita en la opcion Proyecto de Investigación CGPi-2005515. con el titulo y contenido
siguientes
'•C o n t r o l d e la d e f o r m a c i ó n d e l o s a s f a l t a s e n b a s e a p o l í m e r o s ”.
Resumen
Introducción
I- Generalidades
II - Obtención del asfalto
III - Características del asfalto obtenido a part>r
de crudos Mexicanos
IV - Manejo de mezclas asfalto polímeros
V - Proposiciones tecncogicas
Conclusiones
Bibliografía
Se concede un p'azo máximo de un año a partir de esta techa, oara presentarlo a revisión
por ei Jurado asignado
¡oef E s 3 a
azarCaden?
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M en C Blanca Z3rcra Ce(is
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Arel Dfa2C3maa Delgado
proíesii D>rectoyu Ofertado’
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' PfÚüen’e ¿e
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*
M e< G^SS?v5dcr Meza Espnoz?
'^'slibd’rectorAcademia
D E D I C A T O R I A S
A m i m a d re :
P o r tod o el apoyo, cariño y a m o r necesarios para la cu lm inació n de m is e s tu d io s
p ro fe sio n a le s, por d a rm e la m e jo r d e las herencias q u e p ue d a recibir u n hijo: mi
e d u c a c ió n, por los v a lo re s q u e m e diste y por el e je m p lo d e s eg u ir s ie m p re
a de la n te , por ser la m e jo r m a d re del m u n d o . G racias...
A m i abue:
G ra c ia s po.
hacer de
m i u na p ersona d e provecho, por los valo res q u e m e
inculcaste d e s d e p e q u e ñ o , por la gran sab id u ría que en m i d e p o sita ste y s ob re
tod o gracias por el cariño q u e siem pre m e diste.
A m i h e rm a n a :
P o r tu cariño y a p o y o en los m o m e n to s difíciles, eres parte fu n d a m e n ta l d e m is
logros c om o p erso na y c o m o herm ano, te agrad ezco tod o lo q u e h as h e c h o por
mi.
A m is tío s :
Irm a
G arcía,
Javier
R am os,
M artha
G arcía,
R o d olfo
López,
M ario
G a rc ía ,
F rancisco G arcía, por b rin d a rm e su a p o y o incondicional, por b rin darm e u n c o n s e jo
c u a n d o m á s los necesité, por ser parte de m i crecim iento c o m o p erso n a y c o m o
ser h um a n o , gracias.
A m is tía s :
L e o y C la u d ia por b rin d a rm e su a p o y o e n los m o m e n to s difíciles, g ra c ia s por
com partir un poco de su e sp a c io co nm ig o y por los c o nse jos bien in te n cion ad os.
JUAN P A B LO
D E D I C A T O R I A S
A
mis
padres
Ramiro y Ángeles:
P o r h a b e rm e d a d o la vida, por d a rm e la m e jo r herencia q u e se le p u e d e dar a un
hijo q u e es una carrera universitaria,
por e sta r siem pre a m i lado,
p or su a p o y o
m o ra l y eco nó m ico . G ra c ia s los A M O .
A m is h e r m a n o s y h e r m a n a R a m ir o R a y n ie r y R a s c h id y :
P o r su cariño, a p o y o y c o n s e jo s
para c u lm in a r e ste ciclo d e m i v id a y por e star
c o n m ig o cuando los h e n ecesitado . Los A M O
A m i a b u e la A lic ia :
P o r a p o ya rm e en tod o m o m e n to
y por ser una a b u e la m a ra villo sa c o n m ig o
gracias.
A
m is
a m ig o s A le ja n d r o , G a b y , G e r a r d o , O s c a r, W a d a s , Is ra e l, C o lu m b a ,
J u a n , W a lte r y W illia m :
Por
tod o s estos a ñ o s d e c o no c ern os y el esta r a mi lado en los b u e n o s y m a lo s
m o m e n to s .
Ricardo ¡y^egrete Onribny
A G R A D E C I M I E N T O S
A g ra d e c im ie n to e sp e c ia l al Ing. Ariel D iazb arrig a D e lgad o por tod o el tie m p o y
ded icación
para
la
c o no c im ie n to q ue
E .S .I.Q .I.E
cu lm ina c ió n
de
nos transm itió e n
este
proyecto
de
tesis,
a sí
com o
el transcurso de nuestra e s ta n c ia e n
sin d u d a e s te trabajo no hub iera
llegado a su fin sin
el
la
su v a lio s a
a seso ría .
A g ra d e c im ie n to al M .C . J e s ú s M artín R a m o s Toriello, al Ing. Javier R o d r íg u e z
S a la z a r del instituto M e x ic a n o del P e tró le o y al Ing. José A lv a re z S á n c h e z d e la
E .S .I.Q .I.E . por su ayuda, colaboración y co nocim ientos im partidos e n la p arte
e xp e rim e n ta l d e e ste proyecto de tesis.
A g ra d e c im ie n to a nuestros m a e stro s q u e n o s form aron c o m o p ro fe sio n ista s, ya
q ue gracias a sus e n s e ñ a n z a s c o n c lu im o s satisfactoriam ente nuestros e s tu d io s
profesionales.
A g ra d e c im ie n to
al
Instituto
P olitécnico
N a c io n a l y a
la
E scu ela
S u p e rio r
de
Ing eniería Q u ím ic a e Industrias E xtractivas q ue nos fo rm ó co m o p ro fe s io n is ta s
para cum plir con el d esarrollo de la Industria y d e M éxico.
ÍN D IC E
Pág.
Resum en
1
Introducción
5
C a p itu lo 1 G e n e ra lid a d e s
1.1 C o m p o s ic ió n F ísic a Y Q u ím ic a
7
10
1.1.1. C o m p o sic ió n F ísic a
10
1.1.2. C o m p o s ic ió n Q u ím ic a
10
C a p itu lo 2 O b te nc ió n D e A sfa lto
2 .1. P la n ta de D estilación A tm o sférica
15
16
2 .1 .1 . Descripción del P ro c e so
16
2.2. P la n ta de D estilación A lto V a c ío
21
2 .2 .1 . Descripción del P ro c e so
21
2 .3. P la n ta Reductora D e V isc o sid a d
23
2 .3 .1 . D esintegración E n S e rp e n tín Y Horno
2 .3 .2 . D esintegración E n T a n q u e M o jad o
2.4 P la n ta H idrodesíntegradora D e R e s id u a le s (H -O il)
25
25
26
2 .4 .1 . Q uím ica D e La H idro desin tegració n
26
2 .4 .2 . E s q u e m a D e P ro c e so H -O il
29
2 5. P la n ta C o q u iza d o ra
2 .5 .1 . Descripción Del P ro c e so
2 .5 .2 . O peración
2 .5 .3 . P ro ble m a s O p e ra c io n a le s E n P lan tas D e C o q u iz a c ió n
31
31
34
35
2 .5 .4 . Control D e P ro b le m a s O p e ra c io n a le s En P la n ta D e
C o q u iza c ió n
C a p itu lo 3 C aracterísticas D el A sfa lto A Partir D e C rudos M e x ic a n o s
3.1. D e m a n d a D e A sfalto En M é x ic o
37
39
41
3 2. Producción D e A sfalto D e L a s R e fin e ría s D e M é x ic o
42
3.3. Características Del C e m e n to A sfá ltic o (A C )
46
3.3.1.
C e m e n to Asfáltico (A C )
3 .3 2. Propiedad es O C a ra cterístic as D e s e a b le s D e A C
46
47
C a p itu lo 4 M odificación D e A sfaltos
49
4 .1 . E specificaciones
55
4 .2 . V e n ta ja s D e Las M e zc la s E n S ervicio
56
4 .3 . D urabilidad D e Las M e z c la s A s fá ltic a s M o dificadas C o n
P o lím e ro
59
4 .4 P ro p ie d a d e s D e Los P o lím e ro s
60
4 .4 1. C au ch o Sintético (S B R )
60
4 .4 2. C a u c h os D e U sos M ú ltip le s
62
4 .4 .3 .
63
E s tire n o -B u ta d ie n o -E stire n o (S B S )
4 .5 . P ru e b a s S e A s fa lto s
65
4.5.1 V isc o sid a d
65
4 .5 .2 P e n e tra c ió n
67
4 .5 .3 . P unto D e Inflam ación
68
4 .5 .4 . P u n to D e A b la n d a m ie n to
69
4 .5 .5 . S o lub ilid a d
70
4 .5 .6 . Ductilidad
70
C a p itu lo 5 P ro p u e sta T e c n o ló g ica
72
5.1. C o n c e p to s B ásicos D e R e o lo g ía
72
5.2. A p lica c ió n D e P ro p ied a d es R e o ló g ic a s En A sfa lto s
72
5.3. P ro p ie d a d e s R e o ló gica s D e A s fa lto s
73
5 .4
C o m p o rta m ie n to D el A sfalto
73
5 .4 .1 . T e m p e ra tu ra s A ltas
73
5.4.2. T e m p e ra tu ra s In te rm edias
74
5.4.3. T em p e ra tu ra s B ajas
75
5 .4 .4 . E n ve je c im ie n to D e A s fa lto s
76
5.5. P a rá m e tro s R e o ló gico s D e C lasifica ció n D e A s fa lto s
76
5 .5 .1 . M e c a n is m o s D e F a lla s C o n s id e ra d o s
78
5.5.2. T em p e ra tu ra s D e D is e ñ o
79
5.5.3. C lasificación D e A s fa lto s A C -2 0
79
5.6. N u e v o s E n s a y o s R e o ló g ico s P a ra A s fa lto s
81
5.6.2. E n ve je c im ie n to R T F O T
83
5.6 .3 . E n ve je c im ie n to A P re sió n P A V
84
5.6 .4 . R e ó m e tro D e D e fle x ió n B B R
85
5.6 .5 . E n s a y o D e T e n s ió n Directa D T T
86
5.7. D esarrollo E xp e rim e n ta l
C o n c lu s io n e s
81
5.6 .1 . R e ó m e tro D e C orte D in á m ic o D S R
88
5.7.1. P reparación D e M e z c la s E x p e rim e n ta le s A s fa lto -P o lím e tro
88
5.7.2. P ru e b a s
89
5 .7 .3 . R e s u lta d o s
94
97
Anexos
100
Bibliografía
107
RESUM EN
C A P I T U L O
1
G E N E R A L I D A D E S
E n este capitulo se p ue d e n v e r a lg u n a s de las características m a s im p ortan tes de
los asfaltos a sí co m o su definición. El asfalto es un m aterial ligante d e color
m arrón o scuro a negro, c onstituido principalm ente por b e tu n e s q ue p u e d e n se r
n aturales u obtenid os por refinación
proporciones variab les
del petróleo.
El a sfa lto
se
p re se n ta
en
d e a c u e rd o al tipo de petróleo crudo. D e b id o a q u e el
asfa lto e s el constituyente p e s a d o d el petróleo crudo, no se e v ap o ra o hierve
c u a n d o e s destilado. E n c o n s e c u e n c ia , el asfalto e s o b te n id o c o m o resid u o o
producto residual, y e s v a lio s o para u na gran variedad d e u so s a rq u itectó n ico s o
de ingeniería. E l asfalto para p av im e n ta c ió n a te m p era tu ra a tm o sfé ric a n o rm a l
(a m b ie n te ) e s
un m aterial
negro,
p eg ajoso , se m i-só lid o y a lta m e n te v isc o so .
T a m b ié n se define su c o m p o sició n física y su com posición q uím ic a.
C A P IT U L O
2 O B T E N C IO N D E L A S F A L T O
D e ntro d e e ste capitulo se d escrib en los procesos
por los c u a le s se o b tie n e el
asfalto d o n d e el primero de ellos es la destilación atm o sférica
d o n d e se o b tie n e n
los ligeros del petróleo (gasolin a, turb osina, querosina, d ie s e l) y el resid uo d e esta
p a sa a la s e g u n d a etapa q u e e s la d estilac ió n al vació d o n d e el residuo d e esta e s
en su m a yo ría el asfalto q u e u tilizam o s, los p esad o s q u e s a le n de e s ta e ta p a
p asa n
a
continuación
a
la
planta
reductora
de
vis c o sid a d
donde
so n
d esin te g ra d o s térm icam ente para producir c o m b u stó leo con un m e n o r g ra d o de
viscosidad .
P osteriorm ente
p asa el residuo de la viscorreductora a la p la n ta
hidrodesintegradora de resid uales (H -O IL )
p rincipales
d is m in u y e
reacciones
son
la producción
d esin teg racio n es
d e o lefin a s
a ro m ático s y coque D e s p u é s
d on d e c o m o su n o m b re lo indica las
e
h id ro g e n a c io n e s
y en co nse c u e n c ia
sus
donde
se
p ro d ucto s poli
los productos m as p e sa d o s d e e s te p ro ce so p a s a n
a la planta coquizadora d o n d e se p roducen g aso lin as y g a s ó le o s así c o m o c o q u e
de calidad comercial.
C A P IT U L O
3
C A R A C T E R IS T IC A S D E L A S F A L T O O B T E N ID O A P A R T IR D E
C R U D O S M E X IC A N O S .
En
e ste
ca pitu lo
m e x ic a n o s
se
m uestran
las
p rin cipales
prod ucid os en las refinerías
características de
los
a s fa lto s
de C a d e re y ta N.L., C D . M a d e ro T a m p s .,
S a la m a n c a gto., S a lin a Cruz. O ax. Y T u la
H go.,
a s í c o m o su caracterización,
e s p e c ific a c io n e s, d e m a n d a de este a n ivel nac io n a l del asfalto.
T a m b ié n
la d efin ic ió n d e un c e m e n to asfáltico, las p rop ie d ades y ca rac terístic a s
d e s e a b le s d e e s te (consistencia, p ureza , segurid ad).
C A P IT U L O
4
M O D IF IC A C IO N D E A S F A L T O S
C o n el o b je to d e s e ñ a la r el objetivo principal de la investig ación se d e sc rib e e n
e ste capitulo la m odificación de los a s fa lto s la cual es u n a n ueva técnic a u tiliza d a
para el a p ro v e c h a m ie n to efectivo d e los m is m o s.
P o d e m o s v e r las c ara cte rístic as
d e los p o lím e ro s m a s usu a le s en la m o d ific ac ión de los asfalto s a s í c o m o las
p ro p ie d a de s q u ím ic a s d e estos p o lím e ro s, ta m b ié n se h ace u na c o m p a ra c ió n con
los asfalto s c o n v e n c io n a le s y los as fa lto s m o d ific a d o s con p olím ero.
Se
m u e stra n a lg u n a s d e las p ruebas para
lo su fic ie n te m e n te b u e n a s
a sfa lto s q u e se utilizan pero ya n o so n
en la actua lida d para su caracterización y a q u e n o se
p ued en hacer p ru e b as con el asfalto a d istin ta s condiciones clim atológicas.
C A P IT U L O
5 P R O P U E S T A T E C N O L O G IC A
Dentro d e e s te capitulo se habla d e lo q ue e s la reología q u e es la cienc ia q u e
estudia la d efo rm a c ió n y el flujo d e la m ateria bajo la influencia
d e fu e rz a s
externas. T a m b ié n se describe cual es la aplicación d e la reología a los a s fa lto s, y
las p ro p ie d a d e s reológicas de estos. S e describen a su v e s c u a les e q u ip o s se
ocupan para hacer estas pruebas reo ló g icas a los asfalto s (reóm etro d e corte
dinám ico D S R ,
horno de película d e lg a d a rotativa
R T F O T , e n v e je c im ie n to a
presión P A V , reóm etro de flexión B B R y te n s ió n directa D T T ) y com o se c o m p o rta
2
el a sfa lto a distintas te m p e ra tu ra s y c u n d o un asfa lto es e n ve je c id o a corto y largo
plazo. C o m o se clasifican los a s fa lto s con e sta s n u e v a s p ru eb as ya q u e a n te s s e
c la sific a b a n con la v isc o sid a d y a h ora se clasifican con las tem peraturas d e d is e ñ o
m á x im a s y m ín im a s se g ú n las c o n d ic io n e s c lim a to ló g ic as d on d e se requiera el
asfalto.
T a m b ié n
se
tien e n
e x p e rim e n ta le s de
re su lta d o s
de
las
p ru eb as
reológicas
tres distintos a s fa lto s m o d ific a d o s con p olím e ro
con
a s fa lto s
(S B R , S B S ,
H U L E D E L L A N T A ) re a liza d a s en el Instituto M e x ic a n o d el Petróleo IM P .
“ C O N T R O L D E L A D E F O R M A C IO N D E L O S
A S F A L T O S E N B A S E A P O L IM E R O ”
O b je tiv o s:
C o n el o b je to d e te ne r m a y o r e fc ie n c :a
en el u so y aplicación d e un a s fa lto y el
c o n s e c u e n te ahorro e c o n ó m ic o se m e n c io n a n los s ig u ien tes o b je tiv o s q u e e s
n e c e sa rio cum plir:
1.
Investigar la relación a s fa lto -p o lím e ro a s í co m o las p ro p ie d a d e s d e ca d a
uno.
2.
D e te rm in a r la com posición del a sfa lto en relación con s u s p ro p ie d a d e s
fís íc a s ta le s com o penetración, te m p e ra tu ra d e a b la n d a m ie n to , v is c o s id a d ,
a s í c o m o p rop ied ades visco elásticas.
3.
E stu d ia r la com patibilidad de la m e z c la a sfa lto -p o lím e ro
4.
D efinir las condiciones de p roceso a d e c u a d a s para evitar la d e fo rm a c ió n de
los asfaltos.
4
I N T R O D U C C I Ó N
La
m odificación
de
los
asfaltos
es
u na
n ue va
técnica
utilizada
p ara
el
a p ro ve c ha m ie n to efe c tivo d e los m ism o s. E sta técnica co nsiste en la a d ic ió n d e
p o lím e ro s a los asfalto s c o n ve n cio n ales con el fin de m ejorar sus c ara cte rísticas
m ecánicas, es decir, su resistencia a las d e fo rm a c io n e s por factores c lim a to ló g ic o s
y del tránsito (p e so vehicular).
L o s objetivos que s e persiguen con la m o dificación d e los asfalto s con p o lím e ro s ,
e s contar con ligantes m á s viscosos a tem p e ra tu ra s e le v a d a s para reducir las
d efo rm a c io ne s p e rm a n e n te s y fracturas, d e las m e z c la s q ue c o m p o n e n las c a p a s
d e rodam iento, a u m e n ta n d o la rigidez. P o r otro lado d ism in u ir el físu ra m ie n to por
e fe c to térm ico a b aja s tem peraturas y por fatiga, a u m e n ta n d o su e la stic id a d .
F in a lm e n te contar con un ligante de m e jo re s características a dh esivas.
A u n q u e en una m e zc la asfáltica, el asfalto s e a m inoritario en proporción, sus
p rop ied ades p ue d e n influir de m an era significativa en su c o m p o rtam iento . El tipo
d e m ezcla será el que, e n gran m edida, d e te rm in e la contribución h e c h a p or el
ligante sobre tod o el conjunto.
A a lta s tem peraturas d e servicio, p ue d e q ue el ligante llegu e a re b la n d e c e rs e ,
facilitando
la
defo rm acio nes
d efo rm a c ió n
es
aún
de
la
m a yo r en
m ezcla.
El
p av im e n to s
riesgo
de
s o m e tid o s
aparición
a
de
e s ta s
la circulación
de
v e h íc u lo s p esados. D e m a n e ra g en eraliza d a y sin tene r e n cue nta otros fa c to re s
q u e p ueden influir, se p ue d e dism inuir la probabilidad de aparición
d e e s ta s
d efo rm a c io ne s a u m e n ta n d o la rigidez del ligante m e d ian te el e m p le o de un a s fa lto
m á s duro.
P o r otro lacio a tem pe ra tu ra s de servicios b ajas, el ligante se v u e lv e re la tiv a m e n te
rígido y va p erd iend o p od er de resistencia a las te n s io n e s , v o lv ié n d o s e frágil
s ie n d o susceptible d e fisuraciones. El g rado de susceptibilidad a la fisu ra c ió n e s tá
relacionado con la d ure za del asfalto y su ca pacid ad para absorber las d e m a n d a s
5
in d u c id a s por el tráfico. D is m in u y e n d o la d ureza del asfalto, se m in im iza rá el
riesgo de fallo por fragilidad.
E n to n c e s,
d eb ido
a
lo
dicho
p re ce d e n tem en te
a
la
hora
de
b usca r
c o m p o rta m ie n to s g lo b a le s satisfactorios de la m e zclas b itum inosas, la e le c c ió n d el
a s fa lto a d e c u a d o para cada tipo de m e zc la s se v u e lv e un c o m p ro m is o entre
a m b o s e xtrem os;
a a lta s tem peraturas y fisu ra m ien to por fragilidad té rm ic a a
b a ja s tem peraturas. D o n d e m ejo ra nd o el c o m p o rta m iento a altas te m p era tu ra s, s e
in flu y e n e g a tiva m e n te en el co m po rtam iento a bajas tem peraturas.
S e pretende en este proyecto de estu d io s e ñ a la r © "Investigar las p ro p ie d a d e s
fisic o q u ím ic a s
del a sfa lto para un m ejor a p ro v e c h a m ie n to d el m is m o a d e m á s d e
la s com patibilidad es q ue e xiste n en la relación a sfa lto -p o lím e ro .
Se
estab lecen
com o
puntos
im portantes
los
co ncep tos
de
co m p atib ilid a d ,
n a tu ra le za del asfalto y p olím ero, cond icio n es de o peración para m e zc la s típ ic a s,
c o m p a ra n d o
las
p rop ie d a de s
de
interés
co m o :
penetración,
te m p e ra tu ra
de
ab la n d a m ie n to , viscosidad , así com o p rop ied ade s viscoelásticas. P u e s to q u e la
inform ación q ue proporcionan dichas p ro p ied a d e s son m u y im portantes ya q u e se
centran
en
el tipo d e
caracterización
caracterizar a d e c u a d a m e n te
el tipo
de
q ue
se
asfalto
d eb e
h acer a la
es fu n d a m e n ta l
m e z c la ,
pues
de
el
e llo
d e p e n d e la aplicación q u e tendrá al m e zc la rse con un p o lím e ro con la fin a lid a d d e
evitar la deform ación d el asfalto y a s í o b te n e r p rod uctos conr m e jo res p ro p ie d a d e s.
U n a v e z m e n c io n a d o s los conceptos anteriores q ued a ra estructurado el p ro yec to
d e e stu d io q ue perm ite
obtener un asfalto con
las p rop ied ades te c n o ló g ic a s
a d e c u a d a s para evitar fu n d a m e n ta lm e n te el deterioro d el m e d io am b ien te.
6
C A P IT U L O I
G E N E R A L ID A D E S
El a s fa lto e s un m aterial ligante d e color m arrón oscuro a negro, c onstituido
p rin c ip a lm e n te por betunes q ue p u e d e n ser naturales u o b te n id o s por refinación
d el petróleo. El asfa lto se p resenta en proporciones va ria b le s
d e a c u e rd o al tipo
d e p etró leo crudo.
El a s fa lto e s un constituyente del petróleo. En b ase a los re n d im ie n to s d e asfalto,
el p etróleo se clasifica por lo g en eral en:
1.
P e tróle o s crudos en b a se arom ática.
2.
P e tró le o s crudos en b a s e p arafínica.
3.
P e tróle o s crudos en b a se nafténica.
El p etró leo crudo, extraíd o de los p o zo s, e s separado e n s u s c o n s titu ye n te s o
fra c c io n e s en una refinería. P rin c ip a lm e n te e sta separación es lle va d a a c a b o por
d estila c ió n.
D e s p u é s de la separación,
c u id a d o s a m e n te
o
p rocesados
en
los constituyentes s o n
productos
que
c u m p la n
refina d os
m as
re q u e rim ie n to s
e sp e c ífic o s. D e esta m a n e ra es co m o el asfalto, parafina, nafta, a c e ite s lubricantes
y otros productos útiles de alta calid ad s e obtienen en u n a refinería d e petróleo,
d e p e n d ie n d o de la naturaleza del crudo q ue está siendo procesado.
D e b id o a q ue el asfalto e s ei c o nstitu ye n te pesado del p etró leo crudo, n o se
e v a p o ra o hierve c u a nd o e s destilado. En consecuencia, el a s fa lto e s o b te n id o
c o m o residuo o producto residual, y e s va lio so para una gran v a rie d a d d e u so s
a rquitectónicos o d e ingeniería.
El asfa lto es a d e m á s un m aterial d e p es o m olecular m u y e le v a d o , el cual e s un
hidrocarburo soluble en bisulfuro d e carbo n o (C S 2). C o n s e c u e n te m e n te , tanto el
7
petróleo
a s fá ltic o
com o
el alquitrán
son
referidos
e n fo rm a
c o n ju n ta ,
com o
m ateriales b itu m in o s o s (e s la porción d el petróleo q ue e xiste en fa s e só lid a o
se m isó íid a en d e p ó sito s naturales; u s u a lm e n te contiene sulfuros, m e ta le s y otros
c o m p u e s to s no hidrocarburados).
El asfalto d e p etró leo para uso en p a v im e n to s e s c o m ú n m e n te lla m a d o a s fa lto de
p a vim e n ta c ió n o c e m e n to asfáltico para distinguirlo del asfalto h e c h o p ara otros
usos, c o m o pro p ósito s industriales o im p e rm ea b ilizan te s.
El asfalto para p a vim e n ta c ió n a te m p era tu ra atm osférica norm al (a m b ie n te ) e s un
m aterial
negro,
peg ajoso,
se m i-só lid o
y
a lta m e n te
viscoso.
E stá
c o m p u e s to
p rím o rdia lm e n te d e m o lé c ula s c o m p le ja s d e hidrocarburos, pero ta m b ié n co n tie n e
otros á tom os, c o m o
o xíg e n o , nitrógeno y sulfuro. D eb id o a q u e el as fa lto d e
p a vim e n ta c ió n e s p eg ajoso , se adhiere a las partículas del a g re g a d o y p u e d e ser
u sa d o para c e m e n ta rla s o ligarlas d entro del concreto asfáltico. El a s fa lto para
p a vim e n ta c ió n e s im p e rm e a b le y no lo afecta la m ayo ría d e los ácidos, á lc alis y
sales.
Es
calentado
lla m a d o
y
se
un
m aterial term o p lástic o
endurece
cu and o
se
porque
enfría.
Esta
se
a b la n d a
cuando
es
ú nica
de
c o m b in a ción
características y p rop ied ades e s una razón fu n d a m e n ta l para q ue el asfa lto s e a un
m aterial de p a vim e n ta c ió n im portante.
Los
p a v im e n to s
asfálticos
son
a
v e ce s ,
no
co n
toda
propiedad,
lla m a d o s
p a vim e n to s fle xib le s, q u izá s co m o c o n s e c u e n c ia d e que el asfa lto s e a un m a te rial
visco so
y
term oplástico.
El
A sfalto
de
p etróleo
m oderno
tien e
las
m is m a s
características d e durabilidad, pero tie n e la im portante ventaja a d ic io nal d e ser
refinado h asta u na condición uniform e, libre de m aterias o rg án ica s y m in e ra le s
extraños. El a sfa lto natural no es u n ifo rm e y contiene ca n tid ad es v a ria b le s de
m aterias e x tra ñ a s y es u sa d o p rin cipalm en te en la p avim entación.
S in
e m b argo ,
se
p ue d e
obtener c o m o
producto de
la refinación,
donde
las
c antid ades de a sfa lto residual varían se g ú n las características del crudo; p u d ie n d o
8
oscilar entre el 1 0 % y el 3 2 % . Este asfa lto se prod uce e n u na varied ad d e tip o s y
g rad os q ue v a n d e s d e sólido s duros y q u e b ra d iz o s a líq u id o s casi tan flu id o s c o m o
el a gu a. La fo rm a s e m isó lid a conocida c o m o b etún asfáltico es el m aterial básico.
Lo s
productos
m e zc la n d o
asfálticos
m a te riale s
líquidos
se m isó lid o s
se
prep aran,
asfálticos
g en e ra lm e n te ,
con
d es tila d o s
d ilu y e n d o
o
p etró leo
o
del
em u isific á n d o lo s con agua.
A c tu a lm e n te m á s del 9 0 % de los a sfa lto s u tilizad o s c o m o ligantes en las m e z c la s
asfálticas son producidos por la destilación fraccio n ada del crudo.
E ste proceso d e destilación fraccio n ada o refinación d el c ru d a c o m ie n z a c o n su
a lm a c e n a je e n ta n q u e s d e techo flotante, d e s d e d o n d e e s b o m b e a d o
a
las
u n id a d e s d e d estilació n prim aria, d e s p u é s de la d esh idratació n y d e s a la c ió n . El
petróleo
se
hace
tem peraturas,
circular por el
donde
se
vaporiza
interior d e
un
p arcia lm en te
horno
para
a lc a n z a n d o
lueg o
p asar
e le v a d a s
a
la
torre
atm osférica, e n la cual, por diferencia de te m p e ra tu ra s de c o n d e n sa c ió n (p u n to
inicial y p u n to final), se o b tie ne las fracc io n e s m á s livianas, c o m o los g a s e s , la
nafta, turbosina, el q u e ro se n o y el g a s ó le o
atm osférico.
Los e le m e n to s
m ás
volátiles a lc a n z a n los n iveles m á s altos del las torres y los m á s p e s a d o s n o logran
ascender. El crudo residual constituido por los c o m p o n e n te s m á s p e s a d o s del
petróleo y
que
no
se
lograron
va p o riza r
a
e sta s
co nd icio n es
de
p re s ió n
y
tem peratura, p asa n a una destilación al v a c ío d o n d e se recuperar? los g a s ó le o s de
vacío. En el fo n d o de la torre de vacío , se o b tie nen los residuos fin a le s d e e sta
destilación; q u e se conoce con el n o m b re d e fo n d o s de vacío.
Si las características del crudo de a lim e n ta c ió n so n ad ec u a d a s, e s to s fo n d o s d e
va c ío son e m p le a d o s directam ente c o m o asfa lto para p avim en tac ió n ; e n c a so
contrario, el fo n d o e s s o m e tid o a otros p rocesos. S e s o m e te a tra ta m ie n to c o n
d iso lven tes d e d e sa sfa lta d o d on d e se extra e n
m á s d e g asó le o s. T a m b ié n se
p u e d e so m e te r al sop la d o con aire u o xid a d o , c u a n d o es necesario d e s h id ro g e n a r
e
increm entar
la
visco sidad
del
resid uo
con
el
fin
de
cum plir
con
unas
9
e sp e c ific a c io n e s
d ad a s
com o
es
el
caso
de
reductora
de
vis c o sid a d ,
hidrodesintegrad ora de resid uales y planta coquizadora.
1.1
C O M P O S IC IÓ N
F ÍS IC A Y Q U ÍM IC A
A n te s q ue el intercam bio de crudo, en el m ercado, fu e ra a lg o corriente; las
refinerías rara v e z c a m b ia b a n sus fu e n te s d e a b a ste cim ien to d e crudo. E s to llevo
a que
las fu e n te s de asfalto tuvieran, tam bién,
p ro p ie d a d e s c o n siste n te s. A l
integrarse el ca m b io del a b a s te c im ie n to d e crudo de las re fin e ría s se crearon m á s
v a ria c io n e s en las prop ied ades del asfalto, tanto físicas c o m o q u ím ic a s . D e e s ta s
va ria c io n e s, salió la necesidad de p o d e rse e v alu a r el c o m p o rta m ie n to d el a s fa lto
a n te c o nd icio n es particulares y predecir s u rendim iento e n té rm in o s d e c o n o c id a s
fo rm a s de esfuerzo. A ú n a sí, a lg u n a s p ropiedades fís ic a s y q u ím ic a s sig u e n
s ie n d o c o nsta nte s en todos los tip o s d e asfaltos.
1.1.1
El
COMPOSICIÓN FÍSICA:
asfalto
es
un
m aterial
a g lo m e ra n te ,
resistente,
m uy
a d h e s iv o ,
a lta m e n te
im p e rm e a b le y duradero; c a p a z d e resistir altos e sfu erzos in s ta n tá n e o s y fluir b ajo
acción d e calor o cargas p e rm a n e n te s. C o m p o n e n te natural d e la m a y o r parte d e
los petróleos, e n los que existe en d iso lu c ió n y q u e se o b tie n e c o m o re sid u o de la
d estilación al va cío del crudo p e sa d o . E s una sustancia p lástica q u e da fle xib ilid a d
controlable a las m e zc la s d e á cido s con las q u e se le c o m b in a -u s u a lm e r.te . S u
color varía entre el café o scuro y el negro; de consistencia sólid a , s e m is ó lid a o
líquida, d e p e n d ie n d o de la te m p era tu ra a la que se e x p o n g a o por la acción d e
d is o lv e n te s de volatilidad variable o por em ulsificación.
1 .1 .2 .
COMPOSICIÓN QUÍMICA:
E s d e m u ch a utilidad un a m p lio c o n o c im ie n to d e la c o nstitu c ión y c o m p o s ic ió n
q u ím ic a de los asfaltos, para el control d e sus p rop ied ades fís ic a s y así o b te n e r un
m e jo r fu nc io n a m ie n to en la p a vim e n ta c ió n .
10
Al
igual
que
el
petróleo
crudo,
el
asfalto,
es
una
m e z c la
de
n u m e ro s o s
hidrocarb uros parafinicos, arom áticos y c o m p u e sto s heterocíclicos q u e c o n tie n e n
azufre, n itró gen o y o xíg e no ; casi en s u totalidad solubles en sulfuro d e carbono.
La
m a y o ría d e los hidrocarburos livia n o s s e
elim inan d uran te el p ro c e s o
de
refinación, q u e d a n d o los m ás p es a d o s y de m o lé c u la s c o m p le ja s. A l e lim in a r los
hidrocarburos m á s ligeros d e un crudo, los m á s p esa d o s n o p u e d e n m a n te n e rs e
e n d iso lu c ió n y se va n unien do por absorción a las partículas c o lo id a le s ya
e xiste n te s , a u m e n ta n d o su v o lu m e n d e p e n d ie n d o de la destilación q ue s e le s dé.
L a s m o lé c u la s m á s livianas constituyen el m e d io d ispersante o fa se c o ntin ua.
L o s hidrocarburos constituyentes del asfalto fo rm a n una solu c ión c o lo id al e n la
q u e un g rup o d e m oléculas de los hidrocarburos m ás p e s a d o s (a sfá lte n o s ) e s tá n
ro d e a d o s por m o lé c ula s de hidrocarburos m á s ligeros(resinas), sin q u e e x is ta u na
s e p a ra c ió n entre ellas, sino
una transición,
finalm en te,
o c u p a n d o el
e s p a c io
restante los aceites.
U n concepto m á s a m p lio sobre la constitución es que el asfalto co n sta d e tres
c o m p o n e n te s m ayoritarios. El prim ero s e describe com o una m e z c la d e a s fá lte n o s
q u e s o n m o lé c u la s com plejas d e alto p e s o m olecular, in so lu b le en h idro c arb u ro s
p a ra fin ic o s y solu ble en c o m p u e sto s a ro m ático s com o el b e n c e n o . El s e g u n d o
c o m p o n e n te descrito es una m ezcla d e resinas y el tercero aceite m in e ral. E s to s
tres
co nstitu yen
un
sistem a
coloidal
co m o
el
e xplicado
a n te rio rm ente.
Los
a s fá lte n o s cargan con la resp onsabilidad de las características estructurales y de
d ure za d e los asfaltos, las resinas le proporcionan sus p ro p ie d a d e s a g lu tin a n te s y
los
a c e ite s la consistencia
adecuada
para
hacerlos trabajables.
Los
a s fa lto s
c o n tie n e n fracciones bitu m ino sas in só lu b le s e n parafinas.
C erca d el 90 al 9 5 % del peso del asfa lto esta co m p u esto por carbono e h id ró g e n o ,
o lo q u e se ha d e n o m in a d o com o hidrocarburos. La porción restante c o n s is te de
d o s tipos de átom os; m etálicos o d iatóm icos. Las m o léc u la s d iató m icas, c o m o el
o x íg e n o , nitrógeno o azufre, m u ch as v e c e s re e m p la za n a los á to m o s d e c a rb ó n en
la estructura m olecular del asfalto. E s to contribuye a m u c h a s de las
p ro p ie d a d e s
II
q u ím ic a s y físic a s d e los asfaltos; c a u sa n d o m u ch a de la interacción e n tre las
m o lé c ula s. El tipo y cantidad de m o léc ula s d iató m icas q u e e xistan en el a s fa lto se
d eb e rá ta n to a la fu e n te de crudo c o m o a la edad d e éste. L as m o lé c u la s corno el
azufre, reaccionan m á s fácilm ente que el carbón y el h idró gen o para incorp ora
o x íg e n o .
La
o xid ación
es
la
parte
prim aria,
en
e¡ c ontexto
del p ro c e s o
de
e n ve je c im ie n to , la evap oración o volatilización y d eg radació n a s o c ia d o s c o n la
fo to d e g ra d a c ió n por la luz tam bién contribuyen.
Lo s á to m o s m etálicos, c o m o el níquel, el v a n a d io o el hierro e stán p re s e n te s m u y
le ve m e n te , casi m e n o s d e un 1% . La significancia de la p resencia de lo s m e ta le s
es q ue actúa n c o m o huella digital d e la fu e n te d e crudo d e la q ue p ro v ie n e el
asfalto.
L os c o m p o n e n te s del asfalto
pued en
ser se p a ra d o s y e v a lu a d o s
usando
la
solubilidad d e s u s m o lé c u la s en d iferentes d iso lven tes. Los m é to d o s m á s u s a d o s
son el m é to d o crom atográfico de C orbett (el u s a d o por la A S T M ) y el m é to d o d e
precipitación d e Rostler. L as fracciones g enéricas d e te rm in a d a s e n e s to s m é to d o s
so n m e z c la s c o m p le ja s con prop ied ades varia b le s y no son e sp e c ie s q u ím ic a s
discretas.
La
estructura
m olecular del asfalto e s
e x tre m a d a m e n te co m p le ja
y v a ría
en
ta m a ñ o y tipo d e en la c e q u ím ic o con cada fu e nte o m ezcla. H a y tres tip o s b á s ic o s
d e m o léculas: cíclicas, acíclicas y arom áticos. Los acrclicos o p a ra fin ic o s so n
lineales, en tres d im e n sio n e s, en fo rm a de c a d e n a y son g ra s o so s por n a tu ra le z a .
Los cíclicos o nafténicos, son anillos de carbono saturados, trid im e n sio n a le s . Los
arom áticos so n planos, anillos e sta b les d e carbo n o q ue se agru p an fá c ilm e n te y
tie n e n
un
fuerte
olor.
Todos
esto s
tipos
interactúan
para
m a n e ja r
el
c o m p o rta m ie n to físic o -q u ím ic o del asfalto. Los e n la c e s s o ste n ie n d o ju n ta s
las
m o lé c u la s son déb iles por lo q ue se rom pen fá c ilm e n te con calor o p resión ; lo q u e
explica la visco sidad del asfalto.
E n el asfalto, las m o lé c ula s polares fo rm a n redes d á n d o le a é s te sus p ro p ie d a d e s
elásticas, y las no polares form an el cuerpo alrededor de la red c o n trib u y e n d o con
12
s u s p ro p ie d a d e s viscosas. E sta s m oléculas, polares y no polares, e xisten d e fo rm a
hom ogénea.
La form ación d e
la red polar en
la m e zcla
c a lie n te d el asfa lto
d e p e n d e del tipo de a g re g a d o m ineral o del m ed io a m b ien te al m o m e n to d e la
m e z c la .
La
m ezcla
hom ogénea
polar-no
p olar
es
e sen c ia l
para
el
buen
d e s e n v o lv im ie n to del asfalto.
La calid ad del asfalto tien d e a a u m e n ta r con la adición d e p o lím e ro ya q u e
al u sar
a s fa lto s n o m odificados provoca q u e la vida útil de las carpetas a s fá ltic a s se
acorte y n o cum pla con el tiem p o d e garantía, a u n a d o a e so e xiste e s c a s e z de
fo n d o s para el m a n te n im ie n to en la am plia red federal d e carreteras q u e h a y e n la
república m e xic a n a que es de 3 5 ,0 0 0 Km . C o n u na a n tig ü e d a d d e 3 5 a ñ o s e n el
m a y o r porcentaje; la red d e autop istas tiene u na longitud de 6 ,0 0 0 K m . C o n un
transito diario de hasta 5 0 ,0 0 0 ve hícu lo s.
El c o sto d e un asfalto m o dificado es a p ro x im a d a m e n te 3 0 % m a s alto q u e un
a s fa lto no m odificado pero la relación c o sto -ben eficio e s superior al 5 0 % para el
prim ero, e n M é xic o una carretera p ue d e te n e r una vid a útil d e servicio d e siete
a ñ o s con el m ín im o m a n te n im ie n to y m e d ian te el uso d e asfalto s m o d ific a d o s su
vid a útil p ue d e increm entarse h asta doce añ os. Los p o lím e ro s le c o n fie re n al
a sfa lto m a y o r adherencia con la piedra que no s e d esp re n d e tan fá c ilm e n te del
a s fa lto a u n en tem po radas de lluvia cu and o e s m u y fre cue n te q ue a p a re z c a n los
in d e s e a b le s baches.
O tro factor im portante es q ue el asfalto es m e n o s s e n s ib le a las te m p e ra tu ra s
e xtre m a s que provocan el agrietam iento de la carpeta asfáltica o surc o s en la
carretera provocado por las llantas de los v e h íc u lo s c u a n d o el asfalto se a b la n d a
e n clim as cálidos.
A lg u n o s c a m b io s inm ediatos en el asfalto m o dific ado con p o lím e ro son:
•
D ism inu c ió n en la penetración
•
A u m e n to en el punto de a b la n d a m ie n to
13
•
A u m e n to en el intervalo de plasticidad
•
D is m in u c ió n a la fragilidad a baja tem peratura
•
A u m e n to de la viscosidad
•
D is m in u c ió n d e la susceptibilidad térm ica
•
M e jo ra la a d h e sivid a d
•
In c re m e n to en la cohesión.
•
A u m e n to
de
la
carga
de
rotura
m ed ian te
ensayos
a
d ife re n te s
te m p e ra tu ra s
•
A u m e n to de la durabilidad d e b id o a la dism inución de la o x id a c ió n del
a s fa lto
•
D is m in u c ió n d e deterioro por p erm e ab ilid a d
14
C A P IT U L O
2
O B T E N C IÓ N D E L A S F A L T O
El a sfa lto e s un c o m p o n e n te natural y es un m aterial de particular interés y a q u e
es
un
a g lo m e ra n te
firm e
m uy
ad h e sivo ,
a lta m e n te
im p erm eable,
d u ra d e ro ,
a d e m á s d e m u y resistente a la m ayo r parte d e los ácidos, álcalis y sa les.
E s e n c ia lm e n te e s te producto se o b tie ne d e la d estilación del petróleo c ru d o c o m o
parte d el “fo n d o de barril” a través d e las p la n ta s d e destilación prim aria y d e alto
v a cío , un e le v a d o p orcentaje del asfalto producido en la m a yo r parte de los p a ís e s
se d e stin a a la preparación de diferentes tip o s d e m ezc la s con g rava o p ie d ra q u e
co nstitu yen
el m aterial con el cual se fabrican
las capas su p e rio re s
de
las
carreteras, a co ntin uació n se m uestra en la fig. 1 el diag ram a general d e p ro c e s o
para la o b te n c ió n del asfalto
B á s ic a m e n te s e pretende m odificar los a sfa lto s
ya q ue este fu e u n o
de
los
p rim eros m a te riale s u sa d o s por el s e r h u m a n o y h a sido e m p le a d o c o m o p ro d u c to
constructivo im p e rm e a b le sin e m b a rg o el asfa lto puro esta sujeto a u n d ete rio ro
rápido d eb id o a las va ria c io ne s bruscas d e tem peratura a d e m á s de lo s c a m b io s
clim atológicos ta le s c o m o la lluvia y la lu z solar. A s í m is m o la n a tu ra le za del
asfalto tien e u n a im portante d esventaja: “es m u y se n sib le a la te m p e ra tu ra ” ya q u e
e n clim as fríos e s duro y q ueb rad izo e s to d a co m o resultado la fo rm a c ió n d e
fisu ras o cracking d e la carpeta asfáltica c u a n d o esta en uso, m ie n tras q u e en
clim as cálidos e s b la n d o y c om o c o n s e c u e n c ia de esto s e form a lo q ue s e lla m a n
surcos en la carpeta asfáltica.
15
F ig . 1 D IA G R A M A G E N E R A L D E P R O C E S O
La obtención del a sfa lto se o btienen d e la refinación del petróleo crudo e l cu a l se
e n v ía c o m o prim er p aso
a la d estilación atm osférica o prim aria d on de s e o b tie n e
un residuo atm o sfé ric o el cual se e n vía a la torre de destilación al v a c ío d e la cu al
s a le un residuo
visco sidad
en
(c o m b u stó le o ) el cual es en via d o a la planta
donde
se
realiza
un
craqueo
para
producir
reductora
de
d ire c ta m e n te
co m b u s tó le o s d e visc o sid a d apropiada q ue no requieran adición de d e s tila d o s
ligeros para sa tisfac e r las especificaciones ade cu ad a s.
2.1
P L A N T A D E D E S T IL A C IO N A T M O S F E R IC A
2.1.1 D E S C R IP C IO N D E L P R O C E S O
La descripción del proceso de la P lanta de D estilación A tm o sférica es d ivid id a en
las sig u ien tes s e c c io n e s (ver fig. 2):
r"
Sección de P re c a le nta m ie n to de C a rg a y D e s a lad o
16
>
S e c c ió n d e D e sp u n te
>
S e c c ió n d e F ra cc io n a m ie nto A tm o s fé ric o
>
S e c c ió n d e E sta b iliza c ión de G a s o lin a (Nafta Ligera)
S E C C IÓ N D E P R E C A L E N T A M IE N T O D E C A R G A Y D E S A L A D O
El proceso s e inicia con el p re c a len ta m ie n to del crudo, p ro ve n ie n te de ta n q u e s de
a lm a c e n a m ie n to , se recibe en el L ím ite de Batería y se b o m b e a al inicio del
p re c a le n ta m ie n to con las b o m b a s de C a rg a d e C rudo que e n v ía la carga ha cía los
p re c a le n ta d o re s d e crudo. El crudo in tercam bia calor con los v a p o re s q u e s a le n
del d o m o d e la T orre Fraccionadora.
Los p re c a le n ta d o re s
proporcionan u n a tem peratura ad e c u a d a para llevar a c a b o
el d e s a la d o de 141 °C con lo cual se p ro m u e v e la solubílización de las s a le s e n el
a g u a q ue se inyecta para d e s a la d o y evita la vaporización d e hidrocarburos q u e
restaría eficiencia a la separación electrostática.
D e s p u é s de precalentarse el crudo, s e d e s a la en dos e ta p a s en serie, a q u í se
e lim ina n las s a le s c o m o N aC I y H 2 0 , a un valor m á xim o del o rden de: m e n o s d e 1
Ib. N a C 1 /1 0 0 0 Bis. de crudo y m e n o s d e 0 .5 % de agua y s e d im e n to , con el fin de
evitar d a ñ o s por corrosión, p rin cip alm en te en los e q u ip o s d e c a le n ta m ie n to y
destilación. E n la succión de las b o m b a s de carga se inyecta d e s e m u ls ific a n te y
hum e c ta n te para proporcionar la se p a ra c ió n de los hidrocarburos y d el a g u a
e m u lsio n a d a q u e c o ntien e gran parte d e las sa le s del crudo.
El agua d e s d e el L ím ite de Batería
flu y e al ta n q u e de ag u a a g o ta d a d o n d e e sta
a gua e s c a le nta d a , el e fluen te entra corriente abajo de la v á lv u la m e zc la d o ra a la
entrada de la d e sa la d o ra y el ag u a del fo nd o es b o m b e a d a por la b o m b a de
R ecirculación d e A g ua, a control de nivel, d ividién do se el flujo e n d o s corrientes, la
prim era que entra entre los p re ca le n ta d o re s y la segu nd a entra e n tre la v á lv u la de
Control de P re sió n y la válvula m e z c la d o ra a la entrada d e la D e s a lad o ra .
La salm uera e flu e n te d e la d e sala d o ra s a le a control de nivel, in te rca m b ia calor y
se enfría en el Enfriador de S a lm u era .
17
S E C C I Ó N
D E
D E S P U N T E
E l crudo s a le d e las d e s a la d o ra para continuar su precalentam iento, a la sa lid a d e
e sta el flu jo se e n v ía a la T o rre de D e s p u n te e intercam bian calor p a ra le la m e n te
con G a s ó le o P e s a d o por m e d io d e un
Precalentador. El producto q u e s a le p or e l
d o m o d e las torres s e le inyecta inhib id or fílm ic o e inhibidor n e u tra liza n te c o n el
propósito d e evitar la corrosión, en friá n d o s e e s to s m ism o s en el c o n d e n s a d o r d e la
torre, y p ara la torre, los c o n d e n sa d o re s
respectivam ente, p a s a n d o el e flu e n te al
a c u m u la d o r d e ca da Torre; para la torre al A c u m u la d o r d e la torre d e D e s p u n te y
para la torre al A c u m u la d o r de la Torre de D espu n te . La n afta d e d e s p u n te e s
b o m b e a d a de! A c u m u la d o r y nafta del a c u m u la d o r, hacia la T orre E s ta b iliz a d o ra
de N a fta s a control de n ive l de los a c u m u la d o re s ; los g a s e s (g as a m a rg o ) so n
e n via d o s a las U n id a d e s F C C a C ontrol de Presión. Los a c u m u la d o re s c u e n ta n
con una pierna colectora, e n la cual s e a c u m u la el ag u a a m a rg a y s e e n v ía a
control d e nivel a la sección d e tra ta m ie n to de a g u a s am argas.
El fo nd o d e las Torres d e D e s p u n te s e b o m b e a a la torre, p re c a le n tá n d o s e a n te s
d e entrar a los c a le n ta d o re s de fu e g o directo con la corriente d e G a s ó le o P e s a d o
de V a c ío por m e d io de los P re c a le n ta d o re s de C rudo, con R e s id u o de V a c ío .
S E C C IÓ N D E F R A C C IO N A M IE N T O A T M O S F É R IC O
El últim o p re c a le n ta m ie n to d e C ru d o D e s p u n ta d o perm ite recuperar calor a d ic io n a l
para m in im iza r el c o n s u m o de c o m b u stib le e n los calentad ores de C ru d o a la
Torre
Fraccionadora,
lo g rá n d o se
una
tem peratura
de
a lim e n ta c ió n
a
los
cale nta d ore s d e 2 6 0 °C .
El V a p o r d e B aja q ue s e a lim e n ta a los calentad ores de fu e g o directo para su
sobre c a le nta m ie n to, e s utilizado en los ag o ta d o re s de T u rb o sin a , K erosina, D ie s e l
y G a s ó le o P e s a d o A tm osférico, pero ta m b ié n se utiliza co m o v a p o r d e arrastre e n
la Torre A tm o sfé ric a .
18
La N afta L ig e ra (G a s o lin a ) A tm o s fé ric a m á s hidrocarburos ligeros q u e s a le n por el
d o m o d e la torre, una c o m o G a s o lin a de R e flu jo a las torres de D e s p u n te y la otra
corriente co m o G a s o lin a e x c e d e n te hacia la Torre E sta b iliza d o ra
D e la torre Fraccionadora s e e xtrae T u rb osina, la cual se e n v ía a control d e n ivel
hacia el A g o ta d o r d e T u rb o s in a , en e ste recipiente es a g o ta d a la T u rb o s in a ,
para
p osterio rm en te ser enfriad a y p osterio rm en te ser e n via d a a L .B .(a la P la n ta H idros
de D e s tila d o s Interm edios y a T ra ta m ie n to C áustico).
O tra d e las extracciones d e la T orre Fraccionadora e s la kerosina la cu a l es
enfriad a y
bom beada
hacia L.B. (a la P lanta Hidros de D e stila d o s In te rm e d io s),
previo a esto la kerosina e s enfriada.
O tra extracción d e la T o rre A tm o s fé ric a es la d e D iesel la cual es e n v ia d a al
a g o ta d o r d e D iesel, en e ste recipiente e s agotado el D iesel el líquido del fo n d o del
A g o ta d o r de D iesel es
e n fria d o y b o m b e a d o a L. B. (a la P lan ta H id ro s de
d estila d o s Interm edios).
T a m b ié n se tien e la extracción d e G a s ó le o P e s a d o en la Torre A tm o sfé rica , El
G a s ó le o P e s a d o del F o n d o
e s en friad o para fin a lm e n te ser e n via d o s a L. B. (a
A lm a c e n a m ie n to o a la U nid a d F C C ).
C orriente
arriba
del
control
de
nivel
a
la
salida
del
g a s ó le o
de
la
torre
fraccionadora tiene una d erivació n hacia la b om b a de G a s ó le o este G a s ó le o
circulante e s b o m b e a d o d e s d e
la torre fraccionadora. P o r últim o se tie n e
el
R e s id u o A tm o sférico el cual s a le por el fo n d o de la Torre y se b om b e a, el e flu e n te
e s e n v ia d o c o m o carga a la planta
de V a c ío o p u e d e ser e n via d o ta m b ié n hacia
a lm a c e n a m ie n to , previo e n fria m ie n to en la caja Enfriadora.
19
S E C C I Ó N
L as
D E
N a fta s
ESTABILI Z A C I Ó N D E
ligeras
o b te n id a s
en
G A S O L I N A ( N A F T A LIGERA)
las
Torres
de
D e s p u n te
se
unen
para
p recalen tarse e n el P recalentador d e G a s o lin a a la E sta b iliza d o ra , el e flu e n te es
a lim e n ta d o a la T orre E sta b iliza do ra , para separar los H idrocarburos L ig e ro s d e la
N afta Ligera (G a s o lin a ) y a s í o b te n e r u n a N afta Ligera E sta b iliza d a . La N a fta ligera
de la torre a tm osférica se u ne al p roducto de fo n d o d e la torre e s tab ilizad o ra, para
e n via rse a L. B. Los H idrocarburos Ligeros (V apores y G a s L P G ) q ue s a le n por el
D o m o de la T orre se c o n d e n sa n en el c o n d e n sa d o r d e la T o rre E stab iliza d o ra . El
G a s y los H idrocarburos Ligeros (L P G ), ya c o n d e n sa d o s p a s a n al A c u m u la d o r de
L P G , P o r el D o m o del A c u m u la d o r, s a le n los G a s e s q u e s o n e n via d o s a L
B
(P la n ta d e F C C y P lanta T ra ta d o ra) a control de presión.
Él G a s L P G e s b o m b e a d o c o m o reflujo a la torre, por otro lado el e x c e d e n te de
G as
LPG
es
b om b e a d o
por
la
m is m a
b om b a
hada
L.
E n d u lz a m ie n to ), a control de nivel. La g aso lin a e s ta b iliza d a
B.
(P la n ta
es e n fria d a
de
para
p osterio rm e n te ser en via d a a L. B. (a las P la n ta s d e tra tam ie n to de n afta o a
ta n q u e s de a lm a c e n a m ie n to ).
F ig. 2 P L A N T A D E D E S T IL A C IO N A T M O S F E R IC A
20
2.2 P L A N T A
D E
D E S T I L A C I O N D E
A L T O VACIO.
2.2.1 D E S C R IC C IO N D E L P R O C E S O
E l resid uo A tm o sférico p ro venien te d e la planta de destilación A tm o s fé ric a se
a lim e n ta al C a le n ta d o r de C ru d o de residuo. El R e s id u o atm osférico s e a lim e n ta
e n la torre de V a c ío a una te m p era tu ra de 3 8 8 ° a 3 9 9 °C , e sta te m p e ra tu ra ju n to
con el v a p o r de arrastre e s requerida para cum plir con la e s p e c ific a c ió n del
R e s id u o de vacío.
La T orre de V a c ío opera a 15 m m H g . con un s iste m a d e v a c ío e n la s a lid a d e l
D o m o , q u e cuenta con eyecto res, los c u a le s utilizan va p o r d e m e d ia p re sió n para
su
operación,
con
d os s is te m a s
de
co nd en sació n, de
tres
c o n d e n s a d o re s ,
Prim era, S e g u n d a y Tercera etapa, e n v iá n d o s e el c o n d e n s a d o al T a n q u e d e S e llo ,
e s te ta n q u e cuenta con d os salid as, u n a de A ceite R e cu p e ra d o , el cual s e b o m b e a
hacia L. B., la otra salida e s d e c o n d e n sa d o (a g u a a m a rg a) la cual s e b o m b e a
hacia el T a n q u e C olector de A g u a s am a rg a s, antes de entrar al ta n q u e la c o rrien te
e s enfriada.
E ste ta n q u e ta m b ié n recibe A g u a A m a rg a de los A c u m u la d o re s
e s te ta n q u e
cuenta con d o s salidas, una para aceite recuperado el cual es b o m b e a d o h a c ia L.
B. ju n tá n d o se con la línea d e ace ite recuperado y la otra e s la salid a d e A g u a
am arg a, que e s b o m b e a d a hacia L. B. a la U nid ad d e A g u a s A m a rg a s .
El G a s ó le o Ligero de V a c ío q ue se e xtra e de la Torre, es b o m b e a d o , e s te b o m b e o
s e divide en d o s corrientes, la prim era e stá a control de nivel del plato de la torre y
se enfría
para en viarse a L. B. (A la unidad H D S G O , a a lm a c e n a m ie n to o a la
U nidad d e F C C ) la otra corriente intercam bia calor en el P re c a le n ta d o r y s e e n fría
retornando a la Torre com o reflujo al D o m o , a control d e flujo.
O tra extracción que se tiene en la T orre es la extracción de G a s ó le o P e s a d o d e
V a c ío
el cual
se e n vía
hacia
el A c u m u la d o r d e
G a s ó le o
Pesado
de
V a c ío
21
P roducto. E l fo n d o del a c u m u la d o r es b o m b e a d o por dos B om bas, u n a c o m o
reflujo caliente hacia la torre
y la otra intercam bia calor en los P re c a le n ta d o re s
re torn a do a control d e flujo, c o m o reflujo a la T orre de alto vacío ,
G a s ó le o P e s a d o d e V a c ío Producto
otra B o m b a de
la m a n d a a enfriar para p o s terio rm e n te ser
e n v ia d o a L. B. (a la U nid a d H D S G O , a la U nid ad F C C ó a lm a c e n a m ie n to ).
La sa lid a del fond o, es b o m b e a d a hacia los P recalentadores a la sa lid a d e e s to s
p re c a le n ta d o re s se divide el flujo en tres corrientes, la prim era corriente, v u e lv e a
in te rc a m b ia r calor en el P recalentado r y retorna al fo nd o de la Torre, la s e g u n d a
corriente v a a L. B., (a la planta de co q u e o a la planta reductora d e v is c o s id a d ) y
la tercer corriente va a la caja Enfriadora, d e la caja enfriadora, la salida d e resid u o
d e v a c ío se d ivid e ta m b ié n en d o s corrientes, la prim era corriente ha cia L
B. (a
a lm a c e n a m ie n to ) y la s e g u n d a corriente hacia L. B. (a la P la n ta d e A s fa lto ). L as
s a lid a s de R e s id u o a L. B. e s tá n para e n via r hacia una u otra, d e p e n d ie n d o a q u e
u nid a d se requiera enviar el residuo.
Fig.
3 P L A N T A D E D E S T IL A C IO N D E A L T O V A C IO
22
2.3 P L A N T A
R E D U C T O R A
D E
V I S C O S I D A D
El p roceso de viscorreducción consiste e n desinteg rar los residuos p ro v e n ie n te s
d e la planta d e alto v a c ío los cuales s e e n c u e n tra n con altas v is c o sid a d e s, e s to s
resid uo s se d esin te g ra n térm icam ente para producir co m bu stó leo con un m e n o r
g rad o d e v isc o sid a d y a sí no requiera m e z c la rs e con valio so s d estila d o s ligeros
para su m a n e jo y u so logrando una susta n c ia l e c o n o m ía . C o m o se p u e d e v e r e n la
fig. 4 un e s q u e m a com pleto de esta p la n ta reductora de viscosidad. D e b id o a la
alta p roducción de c o m b u stó le o s d e 1 9 8 0 a la fe c h a se han in cre m e n ta d o h a sta
un 3 8 .5 % y e s to s e d e b e p rincipalm ente por el p rocesam iento de m a y o r v o lu m e n
d e crudo m a y a en la refinerías d e P e tró le o s M e xic a n o s.
La reducción d e viscosidad (visbreaking) e s un p roceso de desinteg ración té rm ic a
q u e se usa para reducir las visc o sid a d e s y los puntos d e e scu rrim iento (p o u r
points) d e re sid uo s d e va c ío para o b ten er ac eite d e ca lentam iento o ta m b ié n para
reducir la cantid ad de cortes d ilu yen tes para residuo. La fracción de g a s ó le o q u e
se produce se a dicio na a la alim entación d e la desintegración catalítica c o n e l fin
d e a u m e n ta r el rendim iento general a g a s o lin a d e una refinería.
La c a u sa principal de los altos puntos d e escu rrim iento y d e las altas v is c o s id a d e s
d e los re sid uo s d e va cío son las g ra n d es c a d e n a s de p arafínas latera le s a los
a n illo s aro m ático s. El proceso de reducción d e viscosidad s e lleva a c a b o b ajo las
c o nd ic io n e s
de
optim izar
el
ro m p im ien to
de
estas
ca den as
laterales
y
su
desinteg ración sub secu en te, para o b te n e r m o lé c u la s con m ayo r e scu rrim ie n to y
m e n o r visc o sid a d , sin em bargo el g rado d e desinteg ración tiene q u e lim itarse
d eb id o a q u e una operación severa prod uce inestabilidad por el carbón p ro d uc id o
un producto poco estable. Un producto in esta b le form a p olím ero s d u ra n te el
a lm a c e n a m ie n to
lo cual provoca la fo rm a c ió n
d e lodos y ta p o n a m ie n to s ,
las
estructuras m o le c ula re s de los c o m p u e sto s del petróleo que tien en p u n to s de
ebullición
m a y o re s
históricam ente
a 54 0 °C
son
a lta m e n te
s e g ú n su solubilidad en
c o m p le jas
y se
han
c la sific a d o
hidrocarburos parafinicos, e n
ac eites,
23
re sin a s y a sfáltenos. E n b a se a ello se p u e d e decir q ue los a s fá lte n o s n o se
e n c u e n tra n
en
d isolución
en e l crudo
y en
las corrientes d e
refinería,
sin o
fo rm a n d o s u s p e n s io n e s d e só lid o s m u y p e q u e ñ o s , p ro b a b le m e n te d e ta m a ñ o
u n im o le c u la r q ue s e m a n tie n e n en s u s p e n s ió n por resinas, c u a n d o la relación
re sin a s / a sfá lte n os d is m in u y e por cu a lq u ie r razón, los a s fá lte n o s se precipitan,
e s ta hipótesis perm ite explicarse las lim ita cio ne s a la severidad d e la red u c ción d e
visc o sida d .
E x is te n reacciones en el p roceso de viscorreducción y las principales son:
•
D esintegración d e las c a d e n a s latera les unidas a las c ic lo p a ra fín a s
y
anillos arom áticos, en ó cerca d e l anillo. Las c a d e n a s s o n e lim in a d a s
o
reducidas a grup os m etilos o etilo s (C i o C 2 ).
•
D esintegración d e las resinas a hidrocarburos ligeros, p rin c ip a lm e n te
o lefin a s y a c o m p u e sto s q ue s e convierten en asfáltenos.
•
S i la tem peratura es m a yo r a 4 8 0 °C s e produce cierta d e s in te g ra c ió n d e
naftenos.
B á s ic a m e n te estas son las reacciones d e m a y o r im portancia p u e s to q u e d e ello
depende
la d ism inución
de
la v isc o sid ad
en
el co m b u stó le o
para
su
m ayor
ap ro ve c h a m ie n to . La m ed ición d e la s e ve rid a d d e la o peración s e d e te rm in a en
b a s e a:
•
C an tid ad d e productos con tem peratura de ebullición m e n o r a 166 °C .
•
R ed ucción d e la viscosidad del producto.
•
D iferencia
entre
la
cantidad
de
d ilu ye n te
necesario
para
o b te n e r
las
especificacio n es del aceite de c a le n ta m ie n to (fuel oil) del prod ucto y d e la
alim entación.
•
% V ol. de g asolina con un intervalo d e ebullición en los productos.
o
% P e so de rendim iento de g as m a s g aso lin a , e s decir, e n p ro d ucto s con
ebullición m e n o r a 166 °C.
E x is te n dos tipos d e plantas reductoras d e viscosidad:
24
2.3.1 D E S IN T E G R A C IÓ N E N S E R P E N T ÍN Y H O R N O :
La carga a 2 6 9 °C se precalienta a 3 4 3 °C a n te s d e entrar a los hornos re d u ctore s
d e viscosidad , la ve lo cidad a través de los tub o s d eterm in a el tiem p o q u e la carga
e stá sujeta a a lta s tem peraturas d e salid a del horno de fu e g o directo (4 7 3 -5 0 0 °C )
un flujo de carga m e n o r del 90 %
del n orm al provoca tie m p o de
re sid e n c ia
e xc e siv o por lo q u e e s necesario recircular g asó le o o inyectar v a p o r d e alta
p resión a 6 0 Kg / c m 2 el cual sirve para m a n te n e r la velo cidad d e g a s ó le o p e s a d o
q ue circula dentro d e los serpentines, p resen ta tiem po s d e reacción d e u n o a tres
m inutos, tie m p o s d e corrida de 3 a 6
m e s e s para q ue
se
lleve
a cabo
la
d esinteg ración c u a n d o el tie m p o de resid encia e s p ro lo ng ado con b a jo flu jo a
tem peratura c o n sta n te s e increm enta la se ve rid a d de la d esin teg ració n y c u a n d o
d is m in u y e e l tie m p o de residencia a u n a m is m a tem peratura la se ve rid a d d e la
desinteg ración
d ism in uye ,
las
c o nd ic io n e s
ó ptim as
de
te m p era tu ra
pueden
d e s v ia rs e d e la s cond ic io n e s d e d ise ñ o y s e o btienen con la e xp e rie n c ia d e la
o peración
2 .3 .2 . D E S IN T E G R A C IÓ N E N T A N Q U E M O J A D O :
E ste tipo d e d esinteg ración presenta m e n o re s tem peraturas de salida del h o rn o
(4 2 3 -4 7 5 °C ) y tie m p o s de reacción m a s g rand es, tiem p o s d e corrida de 6 a 18
m e s e s, dificultad para lim piar el recipiente m o ja d o . El c o n s u m o d e c o m b u s tib le
representa el 8 5 % del c o n su m o en el tipo 1. Los costos de capital re p re s e n ta n el
90 % de los costos del tipo 1.
25
F ig . 4 P L A N T A R E D U C T O R A D E V IS C O S ID A D
N o rm a lm e n te este tipo de p roceso e s m u y poco utilizado, las refinerías del p a ís
utilizan g e n e ra lm e n te el proceso de d esintegración en serp e n tín y horno.
2 .4 P L A N T A H ID R O D E S IN T E G R A D O R A D E R E S ID U A L E S (H -O IL )
2 .4 .1 . Q U ÍM IC A D E L A
H ID R O D E S IN T E G R A C IÓ N
C o m o su nom b re lo indica las principales reacciones son d e s in te g ra c io n e s e
hidro ge n a c io n e s.
O curren
ta m b ié n
iso m eriza cio n e s,
y
si
rio s e
lim ita
ocurre
ta m b ié n la desintegración c o m o reacción inversa e in d eseab le
E s e n c ia lm e n te ocurren to d a s las reacciones d e la desinteg ración catalítica, pero
a lg u n a s d e las reacciones se cu n d arias son inhib id as o e lim in a d a s por la p re se n c ia
d e hidrogeno. S e d ism in uye la producción de o lefinas y en c o n s e c u e n c ia s u s
productos poliarom áticos y coque.
se cu n d a rio s
son
Los grup os m etilos unid os a los c a rb o n o s
m ás fá c ilm e nte rem o vid os
q ue
aqu ellos q u e
se
e n c u e n tra n
u n id o s a carbonos terciarios, m ien tras que los que está n u n id o s a c a rb o n o s
cuaternarios son los m á s resistentes a la hidrodesintegración.
26
E n los n a fte n o s s e ro m pe el an illo e in m e d ia ta m e n te se saturan los c a rb o n o s
term inales.
L o s a ro m á tic o s son resistentes a la h id ro g e n a ció n en cond iciones s u a v e s , sin
e m b a rg o a c o nd ic io n e s s e ve ra s, se p roducen los naftenos y ro m p im ie n to s e n los
grup os alquilo laterales.
Los a ro m á tic o s p olinucleares son
h idrodesintegrad os m a s fác ilm ente
que
los
m o n o n u c le a re s , s a tu rá n d o se los anillos y d e s p u é s rom piéndose.
D e s in te g ra c io n e s e n do térm icas
Las p a ra fin a s satu radas son d esin te g ra d a s para form ar o lefin a s y p a ra fin a s d e
m e n o r p e s o m o le c u la r
Las c a d e n a s laterales de los aro m ático s y los n aftenos son s e p arad o s
Las c a d e n a s laterales de resinas y a s fá lte n o s so n separadas, d e ja n d o a ro m á tic o s
p olin ucleares té rm ic am e n te estables.
S e rom pen los e n la c e s C -C de los anillos a ro m á tic o s y n a fte n o s a b rié n d o s e
H id ro q e n a c io n e s e xotérm icas
El hidrogeno se inserta para saturar a las m o lé c u la s recientes fo rm a d a s a partir de
la d esin teg ració n de arom áticos.
Las o lefin a s s e saturan para form ar hidrocarburos ligeros e sp e c ia lm e n te b u ta n o .
Los anillos arom áticos se hidrogenan a n aftenos.
Los e n la c e s de azufre se rom pen para fo rm a r ácido sulfhídrico, de la m is m a
m a n e ra los e n la c e s de nitrógeno p rod ucen am o n iac o , los en la c e s con o x ig e n o
producen a g u a , y los cloruros orgánicos p roducen ácido clorhídrico.
27
Is o m e riza c io n e s
P ro d u c e n ram ificaciones de los g rup os alquilo de las p a ra fin a s y a b re n a los
an illo s nafténicos.
D e s h id ro g e n a c io n e s (reaccio n es de co nd en sació n)
A p e sa r de la presencia de hidrogeno, los arom áticos
de an illo s p e q u e ñ o s
y los
a ro m á tic o s polinucleares no s o n h id ro g en ad o s debido a la b aja se ve rid a d o la
c o m plejidad d e las m o lé c ula s, se inicia su co nd en sac ió n por d e s h id ro g e n a c ió n
para fo rm a r asfáltenos, los c u a le s se solidifican y precipitan en form a de c o q u e.
El c ic lo h e xa n o se d esh id ro g e n a a benceno.
Los aro m ático s de anillos p e q u e ñ o s se com binan para fo rm ar resinas.
L as resinas d esp ué s de ro m perse las c aden as laterales, se c o m b in a n con los
a ro m á tic o s p olinucleares para fo rm a r asfáltenos.
Los a s fá lte n o s d e sp u é s d e ro m p erse s u s caden as laterales, s e c o m b in a n con los
a ro m á tic o s polinucleares p arc ialm e n te saturados con c a d e n a s laterales cortas h e
im p re g n a d a s
con
h e te re o á tom os
y
m etales.
E sto s
c o m p u e s to s
c o m p le jo s
precipitan en fa s e liquida y solidifican para form ar coque in clu ye a los m e ta le s y a
los h e tereo átom os.
C a ta liza d o re s
E n g en e ra l la com posición del ca talizado r d e hidrodesintegración co nsiste e n una
m e zc la d e sílice y alum ina con una p e q u e ñ a cantidad de m e ta le s (Pt, P a , Ni, y W ,
tierras raras).
La s ilic a -a lum in a produce la actividad d e d esin teg ració n , y los
m e ta le s p ro m u e ve n las hidro gen acio n es.
A p esa r de la presencia d e hidrogeno la actividad del cata liza d o r d is m in u y e con el
tiem p o ,
para
m a n te n e r
la
conversión
del
reactor
te m peratura con el objeto de increm entar la rapidez
se
requiere
a u m e n ta r
la
de reacción. La s e le c tivid a d
del catalizador ta m b ié n cam b ia con el tiem po, p ro d uc ié n d o se m á s g a s e s y m e n o s
nafta.
La
subactivación
del
catalizador
im p on e
a lg u n a
m e to d o lo g ía
para
regenerarlo. E n el caso de procesos de lecho fijo s e p rocede a u na re g e n e ra c ió n
28
(q u e m a d o d e c o q u e ) ca da d o s a cuatro años d e p e n d ie n d o d el tipo d e carga. En
los p ro c e sos d e lecho e b u lle nte, la conversión se m a n tie n e a g re g a n d o e n fo rm a
periódica lotes d e catalizador fre sc o y e lim ina n d o el c atalizado r d esactivado .
TABLA
1 C A R G A S A L A P L A N T A H -O IL
A L IM E N T A C IO N
PRODUCTOS
Q u e ro sin a
Nafta
D ie se l directo
Nafta y /o T u rb o s in a
G a s ó le o atm o sfé ric o
Nafta, T urb o sin a y /o D iesel
Nafta,
T u rb o sin a ,
D iesel,
A c e ite ,
G a s ó le o al va c ió
lubricante
FCCLGO
Nafta
FCCH G O
N afta y/o D e stila d o s
L C G O de co qu iza c ió n
Nafta y /o D e stila d o s
HCGO
Nafta y /o D e stila d o s
2.4.2. E S Q U E M A D E L P R O C E S O H -O IL
Com o
se
puede
observar
en
la
Fig.
5
la
carga
es
m e zc la d a
con
recirculaciones
de residuos (q u e p rovienen del sector de fra c c io n a m ie n to
m is m a
las
planta),
corrientes
gaseosas
ricas
en
h id ro g en o,
y
las
d e la
corrientes
de
hidrogeno fresco.
E sta a lim e nta c ió n c o m b in a d a s e introduce al reactor por el fo nd o , e n d o n d e e s
to m a d a por los im p ulsore s d e la b o m b a de recirculación q u e e le v a n y d is trib u y e la
carga a tra vé s del catalizador, h acien d o que el ca ta lizad o r en el reactor
se
e xp a n d a y se m ovilice, p ro d ucién d o se un lecho e x p a n d id o d e n o m in a d o “le c h o
e b u lle n te ”.
El reactor trabaja a tem peraturas cercanas a 4 4 0 ° C y una p resión d e
2 1 0 Kg. /c m 2
El e flu e n te del reactor, una m e zc la liquido-vapor, s a le por el d o m o y se dirige a un
se p a ra d o r “fla s h ” de alta presión (2 00 Kg. /c m 2) o una s e g u n d a etapa d e reacción.
29
E n e ste e q u ip o s e separa por la parte sup erior una corriente g as e o sa q u e c o n tie n e
h id ro g e n o de hidrocarburos de bajo p e s o m o lecular. A la salida de e sta corriente
e s e n fria d a c o n d e n sá n d o s e
a lg u n o s hidrocarburos los cuales se s e p a ra n d e los
g a s e s ricos e n hidrogeno. El liquido en el fo n d o del separador p asa p or varias
e ta p a s d e en friam ien to, d e s p re s io n a m ie n to y separación súbita.
U na
parte de
la corriente g a s e o s a
rica e n
hidrogeno se recircula al
reactor
m e d ia n te un com preso r q u e la e n v ía al c a le n ta d o r d e hidrogeno. A la s a lid a del
c o m p re s o r
se
agrega
la
corriente
rica
en
hidrogeno
de
rep o sició n
que
g e n e ra lm e n te procede de u na planta d e reform ación catalítica.
E n el c a le n ta d o r de h idro gen o (de fu e g o directo), se eleva la te m p e ra tu ra
d e la
carga h a sta cerca de 5 0 0 ' C , y en s e g u id a se m e z c la con la a lim e n ta c ió n d e la
planta para entrar ju n to s al reactor.
L as corrientes líq u id a s q ue s a le n por la p arte inferior d e los s e p a ra d o re s se
a lim e n ta n
a
la
sección
de
fra c c io n a m ie n to
en
d on de
m e d ian te
d estila c ió n
a tm o sfé ric a y de vació se se p a ra n los productos: g as com bustible, g a s o lin a , d iese l
y c o m b u s tó le o . La fracción p e s a d a e s decir el residuo, se recircula al rea cto r para
a u m e n ta r la c onversión, o s a le com o un producto (com bustóleo).
Fig 5 P L A N T A H I D R O D E S I N T E G R A D O R A D E R E S I D U A L E S (H-O I L )
30
2.5.
P L A N T A
C O Q U I Z A D O R A
La coquización es la fo rm a prim aria de desinteg ración térm ica q ue se utiliza e n la
industria d e la refinación de! petróleo y tie n e d o s fu n c io n e s principales p ro d ucir
g a s o lin a s y g asó leo s, a si c o m o coque d e calidad com ercial.
L a s cargas típicas de las C o q u iz a d o ra s incluyen ac eite s p es a d o s in a d e c u a d o s
para otros procesos d e desinteg ración, ta le s c o m o resid uo s atm osféricos y lo s d e
v a c ío , corrientes d e fo n d o del proceso F C C
con alta proporción d e fin o s d e
catalizador, carbón y m a te ria le s polim éricos.
S e usan actua lm e n te p ro c e sos de c o q u izac ió n d e tipo co ntin uo e in te rm itente,
sie n d o m á s c o m ú n el p ro c e so d e co qu iza ció n retardada en el que se u tiliza n
ta m b o re s de c o qu izació n y q u e producen una m a y o r cantid ad
de c o q u e de alta
calidad para uso m etalúrg ico e hidrocarburos de carga a otros procesos.
El proceso de c o q u iza c ió n
retardada produce un c o q u e e s p o n ja q u e se
u sa
típ ic a m e n te com o c o m b u stib le y para la producción de co q u e tipo aguja, el c u a l e s
un m aterial de alta calidad con una estructura m icro cristalina con a p a rie n c ia d e
a g u ja q ue puede utilizarse en la elaboración de e le ctro do s de grafito.
2.5 .1 . D E S C R IP C IÓ N D E L P R O C E S O
La
coquización
retardada
es
un p roceso
s e m i-c o n tin u o e n
el cual
la
carga
precalentada h asta la tem peratura de d estilación s e trasfiere a un gran re cip ie n te
m o ja d o , el reactor q u e p ro ve e el tie m p o de resid encia n ecesario para q u e las
reacciones de d esin teg ració n procedan hasta su term inación.
El proceso requiere tie m p o s d e reacción g ran d es y en fa s e liquida para co n vertir a
los hidrocarburos resid uales, al gas, d estila d os y coque.
Las reacciones d e c o nd e n sa c ió n ele va n
la c o m p o sic ió n del coque
a ro m á tic o
producido, ta m b ié n tien d e n a retener azufre, nitrógeno y m e ta le s en el m is m o .
31
Alimentación:
La carga fresca
es
introducida a la c o lu m n a fracc io n a d o ra
de
p ro d uc to s en d on de se precalienta y e n d o n d e tam bién las frac cio n e s ligeras
p re s e n te s en la alim entación s e e lim in a n c o m o corrientes laterales.
Homo de calentamiento:
corriente d e recirculación
los fo n d o s d e
la co lu m n a fraccionadora,
incluida
la
de producto p esa d o , se calientan e n un h orno d e fu e g o
directo cuya tem peratura de salida e sta e n tre 4 8 0 y 5 1 5 ° C la carga c a le n ta d a
e n tra a u n o de los dos recipientes d e co qu iza ció n en d o n d e las rea cc io n es d e
d e sin te g ra ció n continúan. Los productos d esin te g ra d o s s a le n por el d o m o y el
c o q u e s e d ep o sita en las p are d e s del recipiente para d a r c o ntin uid a d
a la
o p e ra c ión se u sa n d os recipientes: m ie n tra s uno esta en o p e ra c ió n el otro se
e n c u e n tra en lim pieza.
E l h orno de ca le nta m ie n to e sta d is e ñ a d o
para elevar la te m p e ra tu ra
re sid u o s p e sa d o s arriba del punto d e c o q u iza c ió n sin
lo s tu b o s de calentam iento. Lo anterior
de
los
una fo rm a c ió n d e c o q u e en
requiere altas v e lo c id a d e s
d e flujo , e s
decir, un tiem p o m ín im o d e contacto. U n ta n q u e de co qu izació n a isla d o (el reactor)
e n el e fluente del horno proporciona un tie m p o suficiente para la c o q u iza c ió n a n te s
d e co ntin uar con el proceso. D e lo anterior se deriva el té rm in o d e “c o q u iza c ió n
re tard a d a ”.
L a s tem peratu ras típicas del e flue n te del h orn o son de 4 8 2 .2 2 -4 9 8 .8 8 °C. a m a y o r
te m p e ratu ra m a yo r e s la tend encia d e producir coque, y m e n o r e s el tie m p o a n te s
d e q ue el horno deba se r d e s c o q u iza d o (n o rm a lm e n te los tu b o s d el h o rn o d e b e n
s e r d e s c o q u iza d o s cada tres a cinco m e s e s).
Columna fraccionadora
tres
la a lim e nta ció n liquida se carga al fra cc io n ad o r d e d o s o
platos arriba del e sp a c io vapor del fo n d o de la c o lu m n a .
p rop ósito de que los vapores calientes
E sto tie n e
el
del d o m o del reactor s e a n a p a g a d o s
(q u e n c h ) por la alim entación liquida fría, previniendo la fo rm a c ió n de c o q u e e n la
c o lu m n a y sim u ltá n e a m e n te c o n d e n sa n d o un aparte de los fo n d o s
c u a le s son reciclados; a d e m á s, cualquier m aterial ligero en la
p e s a d o s los
a lim e n ta c ió n
es
32
a g o ta d o
(va p o riza d o )
p erm itiendo
su
a c e n so
hacia
los
p latos superiores. El
p re c a le n ta m ie n to d e la alim e nta c ió n hace m a s eficiente al proceso.
D o s o tres p latos arriba d e la a lim e ntació n se encuentran la salid a d e g a so leo . E n
e s to s platos se recicla el g a s o le o líq u id o en friad o para controlar la cantidad d el
m ism o .
S e u san de 8 a 1 0 p latos entre la sa lid a del g a s o le o y la salid a d e la nafta, e s decir,
d e l d o m o de la fraccionadota. En el c a so de q u e se e m p le e un se p a ra d o r lateral
d e nafta (no incluida en el e s q u e m a de flujo), se e m p le a n p la to s a d ic io n a le s arriba
d e la salida de la nafta.
Separador lateral de gasoleo:
se u sa un a g o ta d o r con v a p o r
c o n v e n c io n a l lateral
d e g a s o le o fo rm a d o con 6 a 8 platos. El v a p o r se introduce por el fo n d o d el
s e p a ra d o r para vapo rizar los ligeros y controlar la tem peratura inicial d e eb u llició n
d el g aso leo , es decir su calidad.
El v a p o r d e arrastre y los ligeros so n retornados a la fraccionadora en u na p o sic ió n
d e uno a d o s platos d e s p u é s de la sa lid a d e g aso le o (lo
q u e se co n o c e con el
no m b re de “el s o m b re ro ”, d eb ido a la fo rm a del plato).
Reflujo líquido (pum-around reflux):
en el d o m o de la c o lu m n a s e usa un s is te m a
d e reflujo líquido para recuperar calor a alta tem peratura y m in im iza r el cator
perd ido a baja tem peratura en el co n d e n sad o r. T e rm o d in á m ic a m e n te es im p o s ib le
recuperar e ste calor de b aja tem peratu ra, e n to n c e s es dirigido a la a tm ó s fe ra a
tra vé s
de
las
c o lu m n a s
de
e n fria m ie n to
de
agua
o
de
e n friad ore s
a é re o s
(“so lo a ire s ”).
Reactor de coquización:
c u a n d o el ta n q u e de coquización d e servicio s e llena d e
c o q u e hasta un nivel d ete rm in a d o en el d o m o , el horno de a lim e n ta c ió n s e c o n e c ta
a un tanq u e de co qu iza c ió n vació y lim pio.
El ta n q u e lleno se aísla, se “s o p le te a ” con vap o r para e lim in a r lo s v a p o re s de
hidrocarburos, s e enfría llenándolo
con ag u a , s e abre, se d ren a y se e lim in a el
coque.
La operación d e d esc o qu iza c io n
s e lleva a c a b o en form a m e c á n ic a (b a rre n o s y
rasp ado res), o en form a hidráulica a tra vé s d e chorros ue a g u a a alta p resión
(2 0 0 0 a 4 5 0 0 psig). S e practica un h o y o a xia l d e 4 5 a 6 0 cm. de d iá m e tro a través
d e toda la c a m a (lla m ad o “hoyo de rata”), u s a n d o un chorro especial d e a g u a . E s to
p erm ite la introducción de la flecha del b arren ado r y perm ite la s a lid a d e l c o q u e y
d el a g u a por gravedad.
El c o q u e q u e ca e del reactor se trasporta d irectam en te a los carros d e ferrocarril a
tra vé s d e una tolva, o se trasporta a u n a lm a c é n en form a d e lodo por m e d io de
u na b o m b a , o s e u sa una banda sin fin c o m o se pued e ver en la fig. 6.
2 .5 .2 . O P E R A C IÓ N
La operación de coquización retardada es cíclica. Los ta n q u e s d e c o q u iza c ió n se
llenan y se v a c ía n c o nfo rm a n d o un ciclo. P ara m a n te n e r una o p e ra c ió n co n tin u a
d e la fraccionadora, se requiere al m e n o s d o s reactores, sin e m b a rg o e x is te n
u n id a d e s hasta con cuatro reactores o p e ra n d o en ciclos.
Ciclo de operación
•
L len ad o del ta n q u e con coque
24 hr.
•
C o n e xió n y va p o riza c ió n
3
•
E nfriam iento
3
•
D ren ado
2
•
D espresurizar y d esco q u iza cio n
5
•
Presurización y p ru eb a
2
•
C a le n ta m ie n to
7
•
T ie m p o de reserva
2
TOTAL
4 8 hr
34
Variables de operación:
las
varia b le s
de
operación
in d e p e n d ie n te s
m as
im p ortantes en el proceso s e m u e stra n a continuación, sin e m b a rg o el co n te n id o
de carbón “libre” no se p ue d e m a n ip u la r.
Variables de operación independientes
•
T e m p e ra tu ra de salida del horno
•
P re sió n de la fraccionadora
•
T e m p e ra tu ra
de
los
va p o re s
e fluen tes
de
la
a g o ta d o ra
de
g a s o le o
(tem peratura del “so m b re ro ”)
•
C o n te n id o de carbón “libre” d e la a lim entac ió n “co n rad so n o ra m s b o tto m ”
2.5.3. P R O B L E M A S O P E R A C IO N A L E S E N P L A N T A S D E C O Q U IZ A C IÓ N
Corrosión:
La corrosión en el s is te m a del d o m o de la c o lu m n a frac cio n a d o ra e s
sim ilar a la q ue se presenta e n p la n ta s catalíticas debido a q u e la d e s c o m p o s ic ió n
térm ica
d e la carga genera H 2 S , N H 3 y cierta proporción d e cianuros los c u a le s
se o b se rva n en todos los procesos d e desinteg ración térm ica.
Los p ro b le m a s oca sio na d o s por e s to s co ntam in an te s
in clu y e n corrosión e n el
siste m a del d o m o particularm ente en p resencia de agua.
Los c o m p o n e n te s dei siste m a con p ro b le m as de corrosión incluyen ios p lato s
sup eriores d e la co lu m n a fraccionadora, las líne as de d o m o , los e n fria d o re s con
aire, el a c u m u la d o r y los c o m p reso res de gas, así com o la secció n su p erio r d el
agotador de gasoleo.
El agua p resen te absorbe el H 2 S , el N H 3 y los cianuros g e n e ra d o s en el p ro c eso
de coquización, favo reciend o un p roceso d e corrosión sim ila r al o b s e rv a d o e n
plantas d e desintegración catalítica. La corrosión de bisu lfu ro s y el a ta q u e del
hidrogeno son p roblem as c o m u n e s, a sí c o m o los o c a sio n a d o s por los d e p ó s ito s
de sa le s (bisulfuro de am onio).
35
S i la carga residual contiene c a n tid a d e s significativas d e cloruros h id ro lisab les, se
g e n e ra e n el h orno H C L, in c re m e n tá n d o se los niveles d e corrosión e n los e q u ip o s
d e d o m o d e la c o lu m n a fraccionadora y favo re cién d o se la d e p o sita sio n d e cloruro
d e a m o n io y en a lg u n os casos p ro b le m a s d e corrosión acida.
La corrosión p ue d e increm entarse por las e le v a d a s te m p era tu ra s u tiliza d a s e n el
p roceso d e coquización, requiriéndose a lg u n a s solu cion e s d e carácter m e ta lú rg ico
para reducir la corrosión por H 2 S en la sección del dom o.
Espumacion:
la e sp u m a c ion e s un p ro b lem a significativo en
los ta m b o re s de
c o qu iza c ió n , lo cual reduce el v o lu m e n efectivo d e operación y e n c o n s e c u e n c ia la
c apacid ad de p roc e sa m ie nto y q ue afecta la calidad deJ co q u e producido.
L a s c o n d ic io n e s de operación p u e d e n m odificarse para controlar la e s p u m a c io n ,
pero la m a y o r parte del control se lleva a ca b o m e d ia n te eí u so d e a n tie s p u m a n te s
a b a se d e silicones.
Ensuciamiento:
el e n su c ia m ie n to s e p rese n ta en los horn o s de c a le n ta m ie n to
previos a los ta m b o re s de co qu izació n , e n d o n d e se utilizan c o m o c a rg a s los
fo n d o s del fraccionador.
El e n s u c ia m ie n to s e reduce m e d ia n te la in ye c c ió n d e
va p o r el cual se utiliza con el fin de m a n te n e r v elo cid ad e s d e flujo e le v a d a s e n el
horno. U n control cuidadoso del c o n s u m o d e com bustible e n el horno, re d u c e la
carbo n iza c ió n prem atura y el e n su c ia m ie n to d e los tubos.
Emulsiones:
d eb ido
al
se presentan c o m o re su ltado del proceso de rem o ción d e c o q u e,
uso
intensivo
de
vapor,
al
procedim iento
de
apagado
y
a
la
fra g m en ta c ión con agua a alta presión.
L as e le v a d a s ve lo c id a d e s o b se rvad as en el proceso y el e s fu e rz o cortante q u e se
presenta d eb ido el uso de alta presión g e n e ra n la presencia de e m u ls io n e s d e tipo
inverso (aceite en agua). E sta s e m u ls io n e s se estabilizan por la p re s e n c ia de
e m u lsific a n te s g en e ra do s en el proceso y por la presencia significativa d e s ó lid o s
en el proceso (finos de coque).
36
2 .5 .4 .
CONTROL
DE
PRO BLEM AS
O P E R A C IO N A L E S
EN
PLANTAS
DE
C O Q U IZ A C IÓ N .
Control de la corrosión:
para controlar la corrosión en lín e a s y e q u ip o s d e d e d o m o
se aplican inhibidores de tipo fílm ico. A s í m ism o, se aplican inhib id o re s e n las
lín e a s de alim entació n al sis te m a d e com prensión de g as h ú m e d o para p ro te g e r a
e sta áre a d e p ro b lem as de corrosión y de p ro b lem as de e n su c ia m ie n to a s o c ia d o s
e sp e c ífic a m e n te o c a sio na d o s por el d ep ó sito de sales de am o n io .
Control de espumacion:
e s p u m a c io n
se
utilizan
an tie sp u m an tes
para
evitar o
reducir
la
u tilizánd ose con m a y o r frecuencia los d e tipo Silicon, los c u a le s
e x h ib e n e le va d a estabilidad térm ica contra la deg radación b ajo las c o n d ic io n e s
rigurosas del proceso.
Los a n tie s p u m a n te s se aplican c o n tin u a m e n te cuando las e s p u m a s a lc a n z a n u n a
altura pred eterm inad a para abatir o rom per la e s p u m a y perm itir la fo rm a c ió n de
c o q u e a m a y o r nivel posible, a c e p tá n d o s e g e n e ralm e n te q ue es m á s fácil p re v e n ir
la form ación d e e s p u m a q u e controlarla o neutralizarla. La inyección c o n tin u a de
a n tie s p u m a n te perm ite
de
baja
visco sidad
utilizar el c o n s u m o de este producto. Los a n tie s p u m a n te s
no
son
m uy
efectivo s
y
tiend en
a
d e s c o m p o n e rs e
a
tem pe ra tu ra s m á s bajas, g e n e ra n d o fracciones d e m a y o r p e s o m o le c u la r q u e
destilan en la c olum na fraccionadora con las corrientes d e g as o lin a y g a s e o s o s
afectand o d irectam ente los c a talizado res de las plantas
HDS
resp ectivas por lo
q u e d e b e n utilizarse p refe re n te m e nte a n tie sp u m a n te s con ía m a y o r v is c o s id a d
posible. S e recom iend a el uso de silicones con una velocidad m a y o r d e
1 00
centistokes.
Para trasladar el a n tie sp u m a n te dentro d e los tam bo res de c o q u izació n se utiliza
n o rm a lm e nte un hidrocarburo de arrastre con alta tem peratura de e b u llició n c o n el
fin de reducir su evap o riza c ió n dentro d el tam bor.
Control de ensuciamiento:
en la m a y o ría de los caso la carga de las p la n ta s d e
coquización contienen ca n tid a d e s sig nificativas de co m p o n e n te s asfálticos s ie n d o
c o n ve n ie n te
utilizar a n tie n su c ia n te s para controlar el d ep o sito de a s fa lte n o
y
37
m a te riale s c a rb o n o s o s en el horno y e n la línea de transferencia a los ta m b o re s d e
co qu izació n .
Control de las emulsiones:
las e m u lsio n e s que se o b tiene n e n este p ro ceso s o n de
tipo inverso (a c e ite a gu a) contienen aceite en un intervalo de 1 a 5 % vol.
El
d e s e n m u ls io n a n te
s e le c c io nad o
para
esta
aplicación
d eb erá
se p a ra r
p erfe c ta m e n te la fa s e hidrocarburo libre de a g u a y del producto u tilizad o y u na
fa s e
acuosa
s u s ta n c ía lm e n te
libre d e
hidrocarburos
con
la m ayo r
parte
del
d e s e m u lsific a n te utilizado.
E sp e c ia lm e n te , el d e s e n m u lc io n a n te s e lec cio nad o d eb e rá separar al m e n o s el 95
% del a c e ite p re se n te en la e m u lsió n y favorecer la reducción del c o n te n id o d e
aceite en las a g u a a m a rg a s a valores m e n o re s de 100 ppm . A n te s d e s e r e n v ia d a s
a los tra ta m ie n to s (se p a ra d o re s A P I, p e s a s de oxid ación, tratam ientos b io ló g ic os,
etc.)
Fig. 6 P L A N T A C O Q U IZ A D O R A
38
C A P IT U L O 3
C A R A C T E R IS T IC A S D E L A S F A L T O
O B T E N ID O A P A R T IR D E C R U D O S M E X IC A N O S
La
te n d e n c ia
m u n d ia l
es
hacia
la
refinación
de
crudos
p esa d o s
m e d ia n te
e s q u e m a s d e alta com plejidad. E n M é x ic o s e p re vé a corto plazo in c re m e n ta r en
la refinación d e p etró leo crudo la proporción de crudo M a y a de 35 a 50 % v o lu m e n
de d o n d e se o bten drán m a yo re s v o lú m e n e s de
residuos aptos para prod ucir
asfa lto s d e alta calidad q ue d e m a n d e el m e rc a d o n acional e in te rn a cio n al, por
m o tivo s e c o n ó m ic o s y a m b ien ta le s los asfalto s rebajad os tienden a d e s a p a re c e r y
ser su stitu id o s por e m u lsio n e s asfálticas, a s í m is m o el asfalto grado v is c o s id a d
( A C ) será el q u e prevalecerá a m e d ia n o p lazo e n el siglo X X I en M é x ic o . D e b id o
a co ntin g e n c ia s a m b ie n ta le s y d e ahorro d e e n e rg ía los asfaltos reb aja d os tie n d e n
a d e s a p a re c e r e n p a ís e s desarrollados y ser sustitu ido s por e m u lsio n e s a s fá ltic a s
q ue
p re se n ta n
ca le n ta m ie n to
en
m a yo re s
su
v e n ta ja s
técnicas
a lm a c e n a m ie nto ,
/
transporte
e conóm icas
(no
y aplicación, se
re q u ie re n
u tiliz a n
en
cond ic io n e s clim a to ló gic a s m a s d esfavo rab le s, n o se requiere de s e c a d o e n las
sub capas, repercutiendo en un increm ento de productividad en su aplicación).
E n M é x ic o el m a y o r vo lu m e n de producción y reservas e s del crudo m a y a , el cual
es m e zc la d o con crudo ligero
en proporción d e 7 0 /3 0 % Vol. con te n d e n c ia s a
increm entar la relación de p e sa d o e n el ligero, requiriénd ose a m e d ian o p la z o de
unid ades d e p ro c e so d e alta inversión para reducir la producción de re s id u o s de
va cío y u n a m a y o r conversión hac ía la p roducción de asfaltos a c o sta d e la
reducción d e producción de c o m bustóleo, req u irié n d ose con carácter u rg e n te d e
estudios
fisic o q u ím ic o s
y
de
c o m p o rta m ie n to
del
asfalto
con
m a y o re s
c oncentraciones de crudo m aya.
En la T A B L A 2 se p ued en observar
las características
de los crudos m e x ic a n o s
utilizados en m a y o r proporción ya q ue son con los q ue m a s se c u e n ta e n el
territorio nacional. A s í m is m o en la T A B L A 3 se tie n e n alg u n as de las p ro p ie d a d e s
m a s im p ortantes d e la com binación d e esto s crudos que se utilizan en la re fin a c ió n
de petróleo en nuestro país.
39
T A B L A
2
C A R A C T E R I Z A C I O N
D E
C R U D O S .
P R O P IE D A D E S
IS T M O
O LM ECA
M AYA
G ravedad, ° A P I
32.9
38.9
21.5
A z u fre % peso
1.4
0.93
3.4
Viscosidad a 25° C., cst
8.8
4.22
170.1
T em p. De flu id e z, °C .
-36
-45
-30
C a rb ó n Conradson % peso
4.5
2.8
10.8
Acidez mg K O H /g
0.46
0.8
0.43
V a n a d io ppm
38.1
8.0
277.5
N íquel p pm
8.2
2.5
52.9
Asfáltenos % peso
1.8
0.95
0.6
R v p , psi
6.6
6.6
6.0
F acto r K u o p
11.95
12
11.70
C 4-, % V o l.
1.3
1.8
0.3
TABLA
3
C A R A C T E R IS T IC A S D E M E Z C L A S D E A C E IT E S C R U D O S
O LM ECAPANUCO-
P R O P IE D A D
IS T M O -
IS T M O /M A Y A
T A M A U L IP A S
POZOLEO
Peso específico 60/60 °F
0.8808
0.9633
0.8652
G ravedad °A P I
29.16
15.39
32.05
17.78
2700.5
13.68
A z u fre total, % peso
2.43
5.50
1.49
Factor K vo p
11.84
11.57
11.94
M etales N i + V , ppm .
158.7
306.3
64.2
Viscosidad a 25 °C , cSt
40
3.1. D E M A N D A
En
México
se
D E
A S F A L T O
la c o n s t r u c c i ó n
observar
d e m a n d a
producido
por
construcción d e
refinerías d e
Oax.
M E X I C O
utilizan a p r o x i m a d a m e n t e
asfáltico e n
la
E N
de
P E M E X
de
estas carpetas
Cadereyta,
y Tula, H g o .
pavimentos
asfalto
para
500,000
su
en
el
flexibles.
territorio
Madero
Tamps.,
En
El
mezcla
la T A B L A
mexicano
distribución.
e s el d e n o m i n a d o
N.L, C d .
ton/año d e
y
asfalto
AC-20,
que
Salamanca,
y c l a s i f i c a d o s b a j o la e s p e c i f i c a c i ó n d e
el
de
4
concreto
se
cual
debe
utilizado
se
puede
ser
para
produce
en
la
las
Gto., S a l i n a C r u z ,
P E M E X
514/95,
la c u a l
s e b a s a p r i n c i p a l m e n t e e n la m e d i c i ó n d e la v i s c o s i d a d .
T A I:.L A
4
D E M A N D A R E G IO N A L D E A S F A L T O P R O D U C ID O P O R P E M E X
(Distribución P o r c e n t u a l )
MEXICO
u
i
C M 11 O R N I A
2 V- <
■
2
NOROrSTL
5 90 '/<
a
3
NORTL
4 6 0 '/<:
□
4
NORLSTL
S 90 7(
□
5
C! M R 0 N 0 R T L
4 90 "t:
■
6
C L N T R O P A CI1 I C O
11 4 0 Ve
□
7
C! \ T R O
38 10 </
□
8
C L N T R O G O I IO
m
9
P ACI1 I C O S U R
1 1 20 '/<
PLNIVSULAR
5 00%
El
10
7 vn.
Ji
3.2. P R O D U C C I O N
D E
S e h a n se le c c io na d o
A S F A L T O S
D E
L A S
5 refinerías d e M é x ic o
verificar la calidad d e e ste , a s í c o m o ver
R E F I N E R I A S
D E
M E X I C O
q ue prod ucen el a sfa lto A C -2 0 para
q ue corrientes del la refinación del
petrolero intervienen el la form ulación d e este asfaltó.
E n la T A B L A
5 se prop orciona la in fo rm ació n d e que corrientes in te rvie n e n en
e s ta form ulación en las d ife re n tes refinerías.
E n la T A B L A 6 se prop orciona la inform ación de q ue tipo de crudo se trabaja, su
n a tu ra le za q uím ic a
y la corriente
d e p rocedencia para la fo rm ula ció n d e e s te
a sfa lto para las cinco refinerías.
TABLA 5
C O R R IE N T E S D E L A R E F IN A C IO N D E L P E T R O L E O Q U E
IN T E R V IE N E N E N L A F O R M U L A C IO N D E A S F A L T O S
R E F IN E R IA
C O R R IE N T E :
S A L IN A
CADEREYTA
MADERO
TULA
SALAM ANCA
CRUZ
R E S ID U O D E V A C IO
X
X
X
X
X
R E S ID U O D E
X
DESASFALTADO RA
EXTRACTO DEM EX
X
5
'. ’
EXTRACTO
X
A R O M A T IC O
G A S O LE O PESADO
X
X
X
D E V A C IO
42
T A B L A
6
F U E N T E S D E
P R O C E D E N C I A
D E
L A S C O R R I E N T E S U T I L I Z A D A S
EN L A F O R M U L A C IO N D E A S F A L T O S .
NATURALEZA
A C E IT E C R U D O D E
C O R R IE N T E
Q U IM IC A D E L
R E F I N E R IA
P R O C E D E N C IA
A C E IT E C R U D O
R E S ID U O D F
CADEREYT\
IS T M O /M A Y A
IN T E R M E D I O
MADERO
P A N U C O /T A M A U L IP A S
N A F T E N IC O
SALAM AN CA
IS T M O /M A Y A
IN T E R M E D IO
SALAM ANCA
O L M E C A /IS T M O /P O Z O L E O
V A C IO
R E S ID U O D E
V A C IO
R E S ID U O D E
V A C IO
IN T E R M E D IO
R E S ID U O D E
DESASFALTADO RA
( L U B R IC A N T E R O )
R E S ID U O D E
S A L IN A
V A C IO
CRUZ
IS T M O /M A Y A
IN T E R M E D IO
IS T M O /M A Y A
IN T E R M E D IO
ISTMO/MAYA
IN T E R M E D IO
R E S ID U O D E
TULA
V A C IO
CADEREYTA,
S A L IN A
G ASO LEO PESADO
CRUZ Y
TULA
EXTRACTO
IS T M O /M A Y A /Z O N A
MADERO
DEMEX
IN T E R M E D IO
NORTE
EXTRACTO
IN T E R M E D IO
SALAM ANCA
A R O M A T IC O
O L M E C A /IS T M O /P O Z O L E O
(L U B R IC A N T E R O )
43
L a s especificaciones de visco sidad de los c em en tos asfálticos (A C ), n o in clu yen
p arám etros correlaciónales con el m o d e lo real (m icro estructural) al q u e so n
s o m e tid o s é sto s d esde su producción e n refinerías, tend id o e n c arpetas asfálticas
y el servicio d e los m is m o s en d ifere n tes cond iciones a m b ie n ta le s, d e d e n s id a d y
p e s o vehicular.
F u e ro n som e tid os los a sfa lto s d e P E M E X -R e fin a c ió n y la predicción d e la vid a útil
m e d ia n te m o d e lo s m a te m á tic o s, lle g á n d o se a concluir q ue los a s fa lto s d e las
refinerías de S a la m a n c a , C a d e re yta , S. C ru z y T u la p re sen ta n b u e n d e s e m p e ñ o
para su uso en regiones con tem pera tu ra s m ín im a s a m b ie n ta le s d e -2 4 ° C
y
tem pe ra tu ra s m á x im a s de p a v im e n to d e 6 4 °C , en tanto M a d e ro con - 2 8 ° C co m o
m ín im a am b iental y 6 8 °C c o m o m á x im a del pavim ento.
S e llevó a cabo p rim eram en te la caracterización de los crudos d e las R e fin e ría s
a n te s m e n c ion a d a s con el fin d e cono ce r la procedencia q u ím ic a del asfalto, a
continuación el asfalto se s o m e tió a p ru e b as analíticas típicas (ver T A B L A 7)
La Refinería de Cd. M a d e ro utiliza la m ezcla de crudos P á n u c o /T a m a u lip a s de
n a tu ra le za nafténica (K u op = 11.5), para la producción d e a sfalto s. E n ta nto el
resto de las refinerías (S a la m a n c a , S a lin a C ruz, C a d ereyta y T u la ) se e m p le a la
m e zc la
Istm o / m aya,
c o nsid e rad a
de carácter interm edio
(entre
n a fté n ic o y
p arafínico), e n proporciones m u y s e m e ja n te s lo q ue e s de e s p e ra rse re su lta d o s
igu ales entre las características de los asfalto s producidos,
Si
los
asfaltos
de
P e m e x -R e fin a c ió n
fu eran
aditivados
p o lim é ric a m e n te
se
o bte n dría n los d en o m in a d o s s ú p e r asfaltos d e uso universal.
44
TABLA 7
C A R A C T E R IZ A C IO N D E L O S A S F A L T O S G R A D O V IS C O S ID A D A C -2 0
R E F I N E R I A S
P R U E B A S
M E T O D O
Cd.
A S T M
M A D E R O
ESPECIF.*
SALINA
S A L A M A N C A
CADEREYTA
CRU Z
TULA
P E M E X
514/95
Viscosidad
a 6 0 °C,
2000 ±
D-2171
2154
1700
1909
2145
1892
400
Poises
Viscosidad
a 1 3 5 °C,
D-2170
547
987
487
444
454
300 MIN
D-5
91
79
75
62
70
60 MIN
D-92
294
294
302
298
318
232 MIN
D-2042
9 9 99
99 99
99 90
99 98
99 94
99 0 M I N
D-2171
6573
3273
5974
6350
4432
10 0 0 0
cSt.
Penetración,
100g/5
s e g . / 2 5 °C,
1/10 m m
Temperatura
de
inflamación,
CC .
Solubilidad
en TCE, %
peso.
P R U E B A S
AL
RESIDUO
Viscosidad
M A X
a 60° C,poises
Ductilidad a
D - 1 \ó
150
105
144
105
88
50 M I N
2 5 °C, c m .
45
3.3. C A R A C T E R I S T I C A
D E L
C E M E N T O
A S F A L T I C O
3.3.1. C E M E N T O A S F Á L T IC O (A C )
S o n asfalto s refinad os o una com binación d e asfalto refinado y aceite fluid ificante
d e consistencia a p ro p iad a para trabajos de pavim entación.
E sto s p u e d e n p roceder de d ep ósitos naturales, q ue son e n o rm e s lagos d e a sfa lto
m e zc la d o con un m aterial m ineral, a g u a y o tras im purezas. U n a v e z refinad os se
pue d e ob te n e r h a sta un 9 7 % de bitúm en. E s to s asfaltos refinad os son m u y duros
y s e les da la co nsisten cia, m e zc lá n d o lo s con aceites o resid uo s p ro ve n ie n te s de
la destilación del petróleo d e b a se asfáltica.
Los asfaltos m a s u sa d o s e n M é xic o so n los q ue p rovienen d e la destilació n del
petróleo. D e s d e el p un to de vista d e la obten ció n de asfaltos, los petróleos se
d ividen en
p etró leo s d e b a s e asfáltica, d e b a s e nafténica y d e b a s e parafínica.
Los asfaltos para p a v im e n to s s e o b tie nen d e los dos prim eros tipos m e d ia n te
destilación, q u e d a n d o c o m o residuos d e e ste proceso. La m a y o r o m e n o r d u re za
del asfalto d e p e n d e
de
las
condiciones
de
destilación,
tales
com o
presión,
tem peratura y tiem po.
E stos asfaltos reciben el n o m b re d e "destilado directo" para d iferenciarlos d e
aqu ellos ob te n id o s por oxidación, q ue to m a n e l nom bre de “o x id a d o s ”, y q u e s o n
e m p le a d o s en im p erm eabilizaciones.
El residuo p ro ve nie n te del p etróleo de b ase parafínica está constituido por parafina
se m isó lid a y coque. El asp e c to d e este resid uo es aceitoso o g ra so so y no tie n e
propiedades c o h e s iva s ; al contacto con el aire se oxida le n ta m e n te d e ja n d o un
residuo p olvoroso o e s c a m o s o que no tien e n ing ún poder ligante.
Los c e m e n to s asfálticos se d ividen en g rad o s se g ú n s u d u re za o consistencia, q ue
es m ed ida m e d ian te e 1 e n s a y e de penetración m ed ido en 1/10 m m , valor q ue e s
inverso a la dureza.
46
3 .3 .2 .
P R O P IE D A D E S O C A R A C T E R ÍS T IC A S D E S E A B L E S D E L C E M E N T O
A S F Á L T IC O
P ara los estudios técnicos y la construcción h ay tres p ro p ie d a d e s o características
del asfalto im portantes: (1 ) c o n siste n c ia (lla m ad a ta m b ié n fluid ez, plasticid ad o
viscosidad ), (2) p ureza y (3 ) seguridad.
1 .- C o n s is te n c ia
P a ra caracterizar a los a s fa lto s e s necesario conocer su c o nsiste n c ia a d istintas
tem peraturas, porque son m a te ria le s term oplásticos q ue s e licúan g ra d u a lm e n te al
calentarlos. C o n siste n c ia e s el té rm in o u sa d o para describir el g rado d e flu id e z o
plasticidad del asfalto a c u a lq u ie r tem peratura dada. P ara p od er c o m p a ra r ¡a
c o nsisten cia de un c e m e n to
asfáltico con la d e otro, es
n ec esario fijar u na
te m pe ra tu ra de referencia. L a clasificación de los ce m e n to s asfálticos se realiza en
b a s e al valo r de la consiste n c ia a una tem peratura de referencia.
Si se e x p o n e al aire c e m e n to a sfáltico en películas d e lg a d a s y s e lo s o m e te a un
c a le nta m ie n to
prolongado,
com o
por
e je m p lo
durante
el
m e z c la d o
con
el
agreg ado, el asfalto tien d e a e n du recerse, a a u m e n ta r su consistencia. S e p erm ite
un
a u m e n to
lim itado de
ésta.
P o r lo tanto,
un control
no
adecuado
de
la
te m peratura y del m e zc la d o p u e d e provocar m ayo r d a ñ o al c e m e n to asfáltico, por
endurecim iento, que m u c h o s a ñ o s de servicio en el c am in o term inad o.
C o m ú n m e n te ,
p avim ento,
para
especificar
y
m ed ir
la
consistencia
de
un
a s fa lto
para
se usan e n sa y o s d e visco sid a d o e n sa y o s d e p en etració n . (P a ra
a sfa lto s s o p la d o s el e n sa y o d e punto de a b lan dam ien to ).
2 .- P u re z a
El ce m e n to asfáltico se c o m p o n e , casi enteram ente, de b etu n es, los c u a le s, por
definición, son solubles e n
bisulfuro de carbono.
Los a s fa lto s re fin a d o s son ,
g en e ra lm e n te , m á s d e 9 9 ,5 por ciento solu b les en bisulfuro de carbo n o y por lo
ta nto casi b etu n es puros. L as im p u re za s, si las hay, son inertes. N o rm a lm e n te , el
c e m e n to asfáltico, cuando d e ja la refinería, está libre de ag u a o h u m e d a d , pero
p u e d e haber hum e da d en los ta n q u e s d e transporte. Si h a y a g u a in ad vertida ,
p ue d e causar e s p u m a s al asfa lto c u a n d o se calienta por e n c im a d e los 1 0 0 °C .
47
3 .- S e g u r id a d
La e s p u m a p u e d e constituir un riesgo para la seguridad, por lo tanto las n o rm a s
requieren q u e el asfalto no fo rm e e s p u m a h asta tem peraturas de 1 7 5 °C (3 4 7 °F ).
El c e m e n to asfáltico, si se lo s o m e te a tem pe ratu ras s u fic ie n te m e n te e le v a d a s ,
d e sp id e va p o re s q ue arden en p resencia de u n a chispa o liam a. La te m p e ra tu ra a
la q u e e s to ocurre es m á s e le va d a q u e la tem peratura n o rm a lm e n te u s a d a en las
o p e ra c io n e s d e p avim entación. Sin e m b a rg o , para tener la certeza d e q u e e xiste
un a d e c u a d o m arg en d e seguridad, s e d eb e cono ce r el p un to de in fla m a c ió n del
asfalto. E n la T A B L A 8 se re presentan los parám etros d e clasificación d e los
a sfa lto s para p avim e n ta c ió n los c u a le s fo rm a n las especificacio n es p ara a sfa lto
g rad o vis c o sid a d se g ú n las n orm as A S T M
D -3 3 8 1 .
T A B L A 8 E S P E C IF IC A C IO N E S P A R A A S F A L T O S G R A D O
V IS C O S ID A D A C D E L A S T M D -3 3 8 1
P R O P IE D A D
A C -2 .5
A C -5
A C -1 0
A C -2 0
A C -4 0
80 min
110 m in
150 m in
2 1 0 m in
3 0 0 m in
2 0 0 /3 0 0
4 0 0 /6 0 0
8 0 0 /1 2 0 0
1 6 0 0 /2 4 0 0
3 2 0 0 /4 8 0 0
2 0 0 m in
1 20 m in
7 0 m in
4 0 m in
2 0 m in
163 m in
177 m in
2 1 9 m in
2 3 2 m in
2 3 2 m in
99 m in
99 m in
99 m in
9 9 m in
9 9 m in
1250 m a x
2500 m ax
5000 m ax
10000 m ax
20000 m ax
100 min
100 m in
50 m in
2 0 m in
10 m m
V isc o sid a d a
1 3 5 ° C, c S T
V isc o sid a d a
6 0 °C , P o is e
P e n e tra c ió n
0 .1 m m ,2 5 ° C
T em p . de
in flam ació n ,
°C
S o lu b ilid a d
en T C E , % W
V isc o sid a d a
6 0 °C , P o is e
Ductilidad a
2 5 °C , cm
48
C A P IT U L O 4
M A N E J O
D E
M E Z C L A S
A S F A L T O - P O L I M E R O S
C o n el objeto d e s e ñ a la r el objetivo principal d e la investig ación se describe a
co n tin u a c ió n la m o dificación de los asfalto s la cual es una n u e v a técnica u tilizada
para el a p ro ve c h a m ie n to efectivo d e los m is m o s. E sta técnica c o n siste en
la
a d ic ió n d e p o lím e ro s a los asfaltos c o n v e n c io n a le s con el fin d e m e jo ra r sus
características
m e c á n ic a s,
es decir,
su
resistencia
a
las
d e fo rm a c io n e s
por
fa c to re s clim atológicos y del tránsito (p e so vehicular).
Lo s o b je tiv o s q ue se persiguen con ia m o dificación de los a sfalto s c o rrp o lím e ro s ,
e s c o nta r con ligantes m á s visco so s a tem pera tu ras e le v a d a s para reducir las
d e fo rm a c io n e s p e rm a n e n te s (fracturas), d e las m e zc la s q ue c o m p o n e n las c a p a s
d e ro d a m ie n to , a u m e n ta n d o la rigidez. P o r otro lado d ism inuir el fisu ra m ie n to por
e fe c to térm ico a bajas tem peraturas y por fatiga, a u m e n ta n d o su elasticidad.
F in a lm e n te contar con un ligante d e m e jo re s características a d h e sivas.
A u n q u e en una m e zc la asfáltica, el p o lím e ro s e a m inoritario e n proporción, s u s
p ro p ie d a d e s p ue d e n influir de m anera significativa en su co m p o rtam iento . El tipo
d e m e zc la será el que, en gran m edida, d eterm in e la contribución h e c h a por el
ligante sob re tod o el conjunto. G e n e ra lm e n te , las p ro p ie d ades d e las m e z c la s con
g ra n u lo m e tría continua d ep e n d e n del e n c la v a m ie n to o tra b a zó n de ios áridos,
m ie n tra s q ue las prep aradas con altos co nte n id o s de m ortero asfáltico d e p e n d e n
m á s de la rigidez d e la proporción de ligante, p olvo m ineral y arena.
A altas tem peraturas de servicio,
el ligante llega a reblandecerse, fa c ilita n d o la
d efo rm a c ió n de la m ezcla. El riesgo de aparición d e e sta s d e fo rm a c io n e s es a ú n
m a y o r e n p a vim e n to s som e tid os a la circulación d e ve h íc u lo s p esa d o s. D e m a n e ra
g e n e ra liza d a y sin tener en cuenta otros factores que p u e d e n influir, se p u e d e
d is m in u ir la probabilidad de aparición de e s ta s d e fo rm a c io n e s a u m e n ta n d o
la
rigidez del ligante m ed ian te el e m p leo d e un asfa lto m á s duro.
49
P o r otro la d o a te m p e ra tu ra s de servicios b ajas, el ligante se v u e lv e re la tiv a m e n te
rígido y va p erd iend o p oder de resistencia a las tension es, v o lv ié n d o s e frágil y
s ie n d o susc e p tib le d e fisuraciones. El grado d e susceptibilidad a la fisu ra ción está
re la c io n a d o con la d ureza del asfalto y su capacidad para resistir la d e m a n d a
in du c id a
por
el
tránsito
vehicular.
D is m in u y e n d o
ia
d ureza
del
asfalto,
se
m in im iza rá el riesgo de fa llo por fragilidad.
E n to n c e s,
d eb id o
a
lo
dicho
p re c e d e n te m e n te
a
la
hora
de
b usc ar
c o m p o rta m ie n to s g lo b ale s satisfactorios de la m e zc la s b itum inosas, la e le c c ió n d el
asfa lto a d e c u a d o para ca da tipo de m e zc la s se vu e lve un c o m p ro m is o entre
a m b o s e xtre m o s;
a a lta s tem peratu ras y fisu ra m ie n to por fragilidad té rm ic a a
b a ja s te m p e ra tu ra s. D o n d e m ejo rand o el c o m p o rtam ie nto a altas te m p e ra tu ra s, se
in flu ye n e g a tiva m e n te en el co m po rtam iento a b aja s tem peraturas.
S e p reten de en e ste p royecto de e stu d io s e ñ a la r e investigar las p ro p ie d a d e s
fis ic o q u ím ic a s
del asfalto para un m ejo r ap ro ve c h a m ie n to del m is m o a d e m á s de
las c o m p a tib ilid a d e s q ue e xisten en la relación asfa lto -po lím ero .
Se
e sta b le c e n
c om o
p u n to s
im portantes
las
conceptos
de
co m p atib ilid ad ,
n a tu ra le za del asfalto y p olím ero, cond iciones d e operación para m e z c la s típicas,
c o m p a ra n d o
las
p rop ie d a de s
de
interés
com o:
penetración,
te m p e ra tu ra
de
a b la n d a m ie n to , viscosidad , a sí com o p ro p ie d a d e s viscoelásticas. P u e s to q u e la
in fo rm a c ió n que proporcionan dichas p ro p ied a d es son m u y im p ortan te s ya q u e se
centran
en
el tipo d e
caracterización
caracterizar a d e c u a d a m e n te
el tipo de
que
se
asfa lto
d eb e
h ac er a
e s fu n d a m e n tal
la
m e z c la ,
pues
de
el
ello
d e p e n d e la aplicación q ue tendrá al m e z c la rse con un p olím e ro con la fin a lid a d d e
evitar la d efo rm a c ió n del asfalto y así o b te n e r productos con m e jo res p ro p ie d a d e s.
U n a v e z m e n c io n a d o s los conceptos anteriores q ued ara estructurado el p royecto
de
e stu d io que perm ite o b te n e r un asfa lto con
las p ro p ie d a d e s te c n o ló g ic a s
a d e c u a d a s para evitar fu n d a m e n ta lm e n te el deterioro del m ed io am b ie n te .
50
A
co ntin uació n s e m u e stra en
ia grafica.
1
d e acuerdo a la d is m in u c ió n
o
in cre m en to de tem peratura a si c o m o la dism in ució n de la visco sidad en relación
a sus p ro p ie d a d e s y e sp e c ific a cio n e s de un asfalto m odificado con p olím ero .
Relación General entre viscosidad y temperatura
¿oro t&rxw
&ir-}
des&vtaefkc<&í
Incremento de latemperatura
G ra d o s B l a n d o s
G r a fic a
1.
extensión y co m p ila ció n
------- ►
Grados duros
R E L A C IÓ N : V IS C O S ID A D T E M P E R A T U R A E N T R E A S F A L T O S
BLANDOS Y DUROS
TABLA
9
C L A S IF IC A C IO N D E P O L IM E R O S
Tipo d e modificador
Ejemplo
Natural
SBS
Elastómeros
SBR
EPDM
PBD
EVA
E M A
Plastómeros
PE
PP
Poliestireno
51
Los p olím e ro s so n s u s ta n c ia s d e alto p es o m olecular fo rm a d o por la u n ió n de
c ientos
o
m iles
de
m o lé c u la s
pequeñas
lla m a d a s
m o n ó m e ro s
(c o m p u e s to s
q u ím ic o s con m o lé c u la s s im p le s). S e fo rm a n a sí m o lé cu la s g ig an tes q u e to m a n
fo rm a s diversas: c a d e n a s en fo rm a d e escalera, c a d e n a s u n id a s o te rm o fijas q u e
no p ue d e n a b la n d a rse al ser cale nta d a s, c a d e n a s largas y sueltas, etc. A ig u n o s
m o dific a do re s polim éricos q ue han d a d o b u e n o s resultados.
H o m o p o lím e ro s : q u e tienen una sola u nid ad estructural (m o n ó m e ro ).
C o p o lím e ro s: tienen varias unid ad e s estructurales distintas. (E je m p lo s: E V A , S B S )
P la stó m e ro s: al estirarlos se s o b re p a s a
la
te n s ió n d e fluen cia, no v o lv ie n d o a su
longitud original al cesar la tensión. T ie n e n d efo rm a c io n e s p se u d o p lástic as con
p oca elasticidad.
D e n tro de estos te ne m os:
E V A . etile n o -a c eta to de vinilo.
E M A : Etileno-acrilato de m etilo
P E : (polietileno) tien e b u e n a resistencia a la tracción y b u e n a resiste n cia
térm ica, com o ta m b ié n b uen c o m p o rta m ie n to a bajas tem peraturas.
PP : (P olipropileno).
Poliestireno: no son casi usados.
E la stó m e ro s: al estirarlos, a diferencia d e los anteriores, esto s v u e lv e n
a su
p osic ió n original, es decir, son elásticos.
D e n tro de estos te n e m o s :
Natural: caucho natural, celulosa, g lucosa, sacaro sa, ceras y arcillas s o n
e je m p lo s de p olím e ro s orgánicos e inorgánicos naturales
S B S (estire no -b u ta d ie n o -e stiren o ) o ca u c ho term oplástico. E ste e s el m á s
utilizado de los p olím e ro s para la m o dificación de los asfaltos, ya q ue e s te e s el
q u e m ejor c om portam iento tiene durante la vida útil d e la m e zc la asfáltica.
52
S B R : C a u c h o s sintéticos de! 2 5 % d e E stireno y 7 5 % d e b u ta d ie n o ; para
m e jo ra r su a d h e sivid a d se !e incorpora ácido acrííico
E P D M : (polipropileno atáctico) es m u y fle xib le y resistente al c a lo r y a los
a g e n te s quím icos.
T e rm o e n d u re c ib le s : esto s tienen m u c h o s e n la c e s transversales q u e im p id e n q u e
p u e d a n volve r a a b la n d a rse al calentarse n u e v a m e n te . S o n e je m p lo s d e e s to s las
re sin a s e p ó xic a s; e sta s se usan en g ra n d es porcentajes, m a y o re s al 2 0 % , so n
m u y c o sto sa s y se utilizan para casos e s p e c ia le s (ejem plo: playa d e c a m io n e s )
L o s asfaltos m o dificado s con p o lím e ro s está n constituidos por d o s fa s e s , u n a
fo rm a d a por p e q u e ñ a s partículas d e p o lím e ro h inch ad o y la otra por asfalto .
E n las c o m p o sicio n e s de baja concentración de p olím ero s e x is te
u na
m a triz
c o ntinua d e asfalto en la q u e se en cue n tra d isperso el p o lím e ro ;
p ero si s e
a u m e n ta la proporción de p olím ero en el a sfa lto se produce u na in ve rsió n d e
fa se s, e s ta n d o la fa se continua constituida por el p olím ero h in c h a d o y la fa s e
d isco ntinu a corresponde al asfalto q ue se e n cu en tra disperso en ella.
E sta m icro m o rfolo gía bifásica y las interacciones existentes entre las m o lé c u la s
d el p o lím e ro y los c o m p o n e n te s del asfalto p arecen ser la ca u sa del c a m b io d e
p ro p ie d a de s q ue e xp e rim e n ta n los asfalto s m o d ific ad o s con p o lím e ro s.
El efecto principal d e añadir p o lím e ro s a los asfa lto s es el c a m b io e n la relació n
v is c o sid a d -te m p e ra tura (sobre tod o en el rango de tem peraturas d e se rvic io d e las
m e zc la s asfálticas) perm itiendo m ejorar d e esta m an era el c o m p o rta m ie n to del
a sfalto ta nto a bajas com o a altas te m p e ra tu ra s lo cual d enota un a u m e n to en la
v isc o sid a d d el asfalto m odificado con p o lím e ro (A .M .P ) con relación
a un a s fa lto
c o n ve n c io n a l co m o se m uestra en la grafica 2.
53
Efecto def Asfalto modificado con polímeros sobre
ia rigidez y ia temperatura
G ra fic a 2. R E L A C IÓ N : T E M P E R A T U R A / V IS C O S ID A D D E A S F A L T O S
M O D IF IC A D O S Y C O N V E N C IO N A L E S
O tras
p ro p ie d a de s
que
ei
asfalto
m odificado
m e jo ra
respecto
del
a s fa lto
co n v e n c io n a l son:
•
M a y o r intervalo d e plasticidad(diferencia entre el p u n to d e a b la n d a m ie n to y
el F ra a s s )
•
M a y o r cohesión.
•
M e jora de la respuesta elástica.
•
M a y o r resistencia a la acción d el agua.
•
M a y o r resistencia al e n ve je c im ie n to
L as p ropiedades que e sto s im parten d e p en d e n de los sig u ie n te s factores:
•
T ip o y com posición del p o lím e ro incorporado.
•
C aracterística y estructura coloidal del asfalto base.
•
Proporción relativa de asfalto y polím ero.
P ara que los asfaltos con p olím e ro s consigan las p restac io n e s ó p tim a s, h a y q u e
s e le c c io na r c u id a d o sa m e n te el asfalto b ase (es n ecesario q u e los p o lím e ro s s e a n
c o m p a tib le con
el m aterial asfáltico),
el tipo d e p olím ero ,
la d osific ac ió n,
la
e laboración y las cond iciones d e alm ac en aje . C a d a p o lím e ro tie n e un ta m a ñ o de
partícula d e dispersión óptim a para m ejorar las p rop ied ades reológicas, d o n d e por
54
e n c im a de e sta el p o lím e ro solo actúa c o m o un filtro; y por d e b a jo de esta , p a s a n
a e s ta r m u y s o lu b iliza d o s y a u m e n ta n ia visco sidad , sin m ejo rar la e lasticidad y la
resistencia.
Los
p olím e ro s c o m p a tib le s producen
té cnicas
c o n v e n c io n a le s
de
rá p id a m e n te un asfalto e sta b le ,
preparación.
E sto s
s iste m a s
usando
c o n v e n c io n a le s
de
preparación d e a sfa lto s m o d ifica d o s con p olím e ro s son g ra n d es recipien tes d e
m e zc la d o con p aletas agitadoras a v e lo c id a d e s lentas, o recipientes e s p e c ia le s
q ue
favo re c e n
velocidad.
la
recirculación
El p olím e ro
con
a g ita d o re s
p ue d e v e n ir en
m ec án ico s
de
polvo, en form a de
corte
de
pequeñas
g ran
b olitas
(p e lle ts) o ¿n g ra n d es p an e le s. La te m p e ra tu ra de m e zc la d o d e p e n d e d e l tip o de
p olím e ro utilizado.
En
la
actualidad
m uchos
fabricantes
de
asfaltos,
han
instalad o
e q u ip o s
e s p e c ia liza d o s para la preparación de as fa lto s m odificados con p o lím e ro s, e s ta s
centrales p roducen la m e zc la que a lca n za alta s prestaciones.
4.1. E S P E C IF IC A C IO N E S
En
razón
que
los
a sfa lto s
presentan
un
co m po rta m ie nto
reológico
de
tipo
viscoelástico, la adición d e un p olím e ro increm enta su c o m p o n e n te e lá stica . L o s
ensayos
típicos
elasticidad
ni
de
"Penetración"
recuperación
y
elástica,
"P u n to
de
A b lan d a m ie n to ",
características
típic as
de
no
los
m id e n
a s fa lto s
m odificados, d e a h í q ue d eb a recurrirse a otros tipos de e n s a y o s . U n m é to d o q u e
ha sid o a d o p ta d o en m u c h os p aíse s de E u rop a, es el de "R e cup e rac ió n e lástic a",
b asa d o en el e n s a y o conve n c io n a l de "Ductilidad".
H asta el m o m e n to no s e tiene c o no c im ie n to de una especificación para a s fa lto s
m odificados con p olím e ro s m odificados por parte de instituciones oficiales. S í s e
conocen e sp e c ific a c io n e s q ue se ajustan a d eterm in a d o s productos c o m e rc ia le s ;
en e s ta s e sp e c ific a c io n e s s e incluyen, entre otros en sa y o s , el "P u n to de fractura
Fraass" y el e n s a y o de "R ecuperación elástica".
55
4.2. V E N T A J A S E N L A S M E Z C L A S E N S E R V I C I O
Los asfaltos modificados se deben aplicar, en aquellos casos específicos en que
las propiedades de los asfaltos tradicionales son insuficientes para cumplir con
éxito la función para la cual fueron encomendados, es decir, en mezclas para
pavimentos que están sometidos, ya sea por el tránsito o por otras causas como:
temperaturas extremas, agentes atmosféricos, etc. Si bien los polímeros modifican
las propiedades reológicas de los asfaltos, estos deben mostrar ventajas en
servicio; los campos de aplicación más frecuentes son:
Mezclas drenantes: las mezclas drenantes tienen un porcentaje muy
elevado de huecos en mezcla (superior al 2 0 % ) y una proporción de árido fino muy
baja (inferior al 2 0 % ), por lo que el ligante debe tener una muy buena cohesión
para evitar la disgregación de la mezcla. Además el ligante necesita una elevada
viscosidad para proporcionar una película de ligante gruesa envolviendo los áridos
y evitar los efectos perjudiciales del envejecimiento y de la acción del agua (dado
a qué este tipo de mezclas es muy abierta).
Mezclas resistentes y rugosas para capas delgadas: La utilización de
polímeros en este tipo de mezclas es para aumentar la durabilidad de las mezclas.
Estos tipos de mezclas de pequeño espesor surgen dada a la rapidez de
aplicación, lo que reduce al mínimo los tiempos de cortes de tráfico. Estas se
utilizan para trabajos de conservación de rutas y vías urbanas, que exigen
mezclas con alta resistencia y con una buena textura superficial.
La resistencia de estas mezclas se consigue con áridos de buena calidad, elevado
porcentaje de filler (8 a 10%) y un asfalto modificado con polímeros.
La buena textura superficial para mejorar la adherencia de los vehículos se
consigue mediante una granulometría discontinua (discontinuidad 2-6mm)
En este tipo de mezclas es de vital importancia la adherencias con la capa
subyacente (esta también influye en la durabilidad) Estas también deben ser
resistentes, para soportar la acción del tránsito y el desprendimiento de los áridos
56
Estas mezclas son denominadas también microaglomerados y tienen espesores
menores a los 30 mm.
Mezclas densas: Para las aplicaciones en las cuales se deban soportar
tráfico intenso la mezcla bituminosa debe ser resistente al ahuellamiento. Al
mismo tiempo, el material debe poder ser mezclado, extendido y compactado a
temperaturas normales y no se debe volver frágil cuando la temperatura del
pavimento descienda.
CO NTRO L
So m etid a al trafico a 6 0 C .% •
Fig. 7 MUESTRA DE MEZCLA ASFALTICA CONVENCIONAL
Sometida ai trauco a
C
Fig. 8 MUESTRA DE MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA CON POLÍMEROS.
Como puede observarse en las Fig. 7 y 8 existe una gran diferencia entre los
resultados obtenidos sobre una muestra de mezcla asfáltica convencional y otra
con una mezcla asfáltica modificada con polímeros, la mezcla modificada puede
hacer frente al ahuellamiento con una marcada diferencia sobre la otra muestra.
57
En otras aplicaciones, el objetivo puede ser generar una mezcla flexible con el fin
de reducir la posibilidad de rotura por fatiga. En estos casos, se necesitarán
asfaltos modificados con polímeros, preferentemente de naturaleza elástica, para
que la mezcla sea capaz de absorber las tensiones sin que se produzca la ruptura.
Relación Tensió/Fatiga entre asfaltos
convencionales y modificados
Retraso del fallo por fatiga
p-
Grafica 3 RELACIÓN TENSIÓN / FATIGA DEL ASFALTO DE ASFALTOS
MODIFICADOS Y CONVENCIONALES
Se han realizados varios ensayos que han demostrado que los asfaltos
modificados con asfaltos modificados con polímeros son capaces de asimilar
mayores tensiones iniciales que las mezclas realizadas^con
una mezcla
convencional ( ver grafica 3).
Tratamientos superficiales mediante el riego con gravilla: los asfaltos
modificados con polímeros y las emulsiones con ellos fabricadas, son adecuados
para riegos en vías de fuerte intensidad de tráfico y/o en zonas climáticas de
temperaturas extremas, porque el ligante debe tener una buena cohesión en un
amplio intervalo de temperatura y una buena susceptibilidad térmica, con el fin de
evitar exudación del ligante durante el verano, así como la pérdida de gravilla en el
invierno
58
Membrana absorbente de tensiones: estas membranas tienen como misión
retardar ia propagación de fisuras de un firme a un nuevo refuerzo, por lo que
deben estar fabricadas con polímeros para tener buena resistencia mecánica y
flexibilidad para absorber las tensiones provocadas por el movimiento de las
fisuras del asfalto.
4.3. DURABILIDAD DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS CON
POLÍMEROS
En función de no contar con experiencias muy válidas en cuanto a la durabilidad
de mezclas bituminosas modificadas con polímeros, se hacen necesarios
implementar métodos de laboratorio para evaluar el comportamiento a corto y
largo plazo de envejecimiento.
Como métodos de envejecimiento de las mezclas en laboratorio a corto y largo
plazo se emplean los métodos desarrollados por SHRP (Strategic Highway
Research Program).
Hay muy poca información de la degradación que sufren los polímeros
componentes de los asfaltos durante su funcionamiento en servicio. En general los
ensayos que se realizan para determinar la alteración que sufren los asfaltos
modificados con polímeros recuperados del pavimento son muy complicados por
el hecho de que el calentamiento de la mezcla y posterior disolución con solvente
para obtener la muestra para luego ser ensayada, puede afectar las propiedades
de ciertos polímeros y falsear los resultados.
Como es bien conocido el envejecimiento o endurecimiento de los asfaltos ocurre
durante los procesos de mezclado y colocación de las mezclas (envejecimiento a
corto plazo) y durante su vida de servicio en el pavimento (envejecimiento a largo
plazo).
Para simular el envejecimiento a corto plazo se usan los ensayos TFOT y RTFOT.
Para simular el envejecimiento en servicio, SHRP ha adoptado el envejecimiento
59
PAV. En el caso de las mezclas asfálticas el SHRP ha propuesto para el
envejecimiento a corlo plazo el ensayo STOA y para el largo plazo el LTOA.
4.4 PROPIEDADES DE LOS POLIMEROS
4 .4.1. CAUCHO SINTÉTICO (SBR)
Este elastómero es un copolímero de butadieno con estireno conocido como SBR,
GR-S o Buna S.
Los hules de SBR se pueden clasificar en dos tipos: calientes y fríos, según las
temperaturas de polimerización. Además, se subdividen en bajo, mediano y alto,
de acuerdo al contenido de sólidos. Los SBR calientes se polimerizan a 49-66 °C
y se fabrican principalmente con un contenido mediano de sólidos (42-50% en
peso). Los de alto contenido de sólidos (60-70% en peso) se usan para
aplicaciones especiales, como bases de injertos para polimerizaciones a fin de
obtener plásticos con alta resistencia al impacto. Los de bajo contenido de sólidos
(2 7 % ) se emplean en la fabricación de goma de mascar o chicle. El SBR tiene
múltiples aplicaciones: se usa para recubrimiento de cierto tipo de papel. En la
fabricación de llantas se emplea para recubrir la cuerdas. También encuentra
aplicación en la fabricación de calzado, de bajo alfombras, de ligantes para las
pinturas, de empaques, de recubrimiento de frenos, en las baterías como
separador de placas, etc. El SBR con alto contenido de estireno se ^u e le mezclar
con otros hules para darles resistencia a la abrasión.
Otros copolímeros de estireno-butadieno son muy útiles como resinas y como
aceites secantes para pinturas, barnices y recubrimientos.
La capacidad instalada para producir el SBR en los países no comunistas es muy
superior a su demanda. Ésta asciende a 5.15 millones de toneladas métricas.
Muchas de estas plantas están operando al 5 0 % de su capacidad.
60
Existen diferentes tipos de cauchos, y estos se pueden clasificar en dos grandes
grupos: el caucho natural y el caucho sintético. La principal diferencia entre ambos
radica en el origen de las materias primas. A continuación se explica cada uno de
ellos:
•
Caucho Natural: Este se obtiene a partir de un fluido lácteo llamado látex
hallado en muchas especies vegetales típicas de regiones tropicales.
•
Caucho sintético: Este se obtiene a partir del procesamiento de
hidrocarburos.
Hoy en día, el caucho posee múltiples utilidades en diferentes tipos de industrias
(automotriz, calzado, adhesivos, etc.). El Caucho Estireno Butadieno más
conocido como caucho SBR es un copolímero (polímero formado por la
polimerización de una mezcla de dos o más monómeros) del Estireno y el 1,3Butadieno.
Como se ve en la fig. 9. Este es el caucho sintético mas utilizado a nivel mundial.
61
C A U C H O S DE U S O S MÚLTIPLES
Los polímeros utilizables se derivan de monómeros obtenidos por el craqueo de la
nafta medíante vapor. La característica común a la mayoría de estos elastómeros
es la doble ligadura residual que favorece la vulcanización. A continuación se
encuentran los cauchos de múltiples utilidades:
•
El copolsmero estadístico de estireno/butadieno
(SBR) (75%
de
butadieno en peso) se usa principalmente en cubiertas de automóviles
livianos, puro o mezclado con goma natural.
• El polibutadieno da a los neumáticos gran resistencia a la abrasión,
excelente resistencia en condiciones de baja temperatura (la mejor de las
gomas de usos múltiples) y muy buen comportamiento de envejecimiento.
Sin embargo, exhibe baja adherencia a una superficie húmeda, generando
deslizamiento. Por eso se emplea mezclada con SBR o bien goma natural.
•
El cis-1,4 poli-isopreno es una réplica casi perfecta de la goma natural, y
por lo tanto puede sustituirla sin dificultad alguna.
•
Las gom as obtenidas por copolim erización de etileno/propileno
y
denotadas EP son incompatibles con otros elastómeros de usos múltiples.
También son difíciles de vulcanizar y carecen de adherencia.
La
introducción de un termonómero (hexadieno, diciclopentadieno) permite la
vulcanización por el proceso usual con azufre, pero aumenta los costos
significativamente.
Diferencias entre el C a u c h o S B R y el C a u c h o Natural
A
continuación se verá la comparación entre el caucho SBR y el caucho natural:
•
SBR es inferior a la goma natural para procesado, resistencia a la tracción y
a la ruptura, adherencia y calentamiento interno.
•
SBR es superior en permeabilidad, envejecimiento, y resistencia al calor y
desgaste.
•
La vulcanización de SBR requiere menos azufre, pero más acelerador
62
•
El efecto reforzador del negro de carbón es mucho más pronunciado sobre
SBR que sobre goma natural.
•
Para uso en neumáticos, SBR es mejor para vehículos de pasajeros, en
tanto que la goma natural es preferible para vehículos utilitarios y
autobuses.
•
Las SBR extendidas con aceite se usan principalmente para fabricación de
neumáticos, correas cintas transportadoras, etc.) y suelas de zapatos; las
mezclas maestras de SBR se emplean en la producción en masa de
cubiertas de neumáticos.
4.4.3. ESTIRE;;0-BUTADIEN0-ESTIREN0 (SBS)
Podemos hacer un elastómero termoplástico de otro modo. Ese otro modo es
mediante un copolímero en bloque. Un copolímero es un polímero constituido por
más de una clase de monómero, es decir, a partir de dos o más comonómeros. Un
copolímero en bloque es un copolímero en el cual los comonómeros se
encuentran separados en largas secciones de la cadena polimérica principal.
Cada una de estas secciones, llamadas bloques, se ve como si fuera una especie
de homopolímero (ver fig. 10)
Fig. 10 FORMULA QUIMICA SBS
Un elastómero termoplástico muy común que es un copolímero en bloque es el
caucho SBS. SBS es la abreviatura en inglés de estireno-butadieno-estireno,
puesto que dicho copolímero está constituido por una corta cadena de
poliestireno, seguida por otra larga cadena de polibutadieno y finalmente por otra
corta cadena de poliestireno. Si pudiéramos extender una cadena de SBS, se
vería como en la Fig. 11 de abajo.
63
polystyrene
polystyrene
block
block
\
polybutadieue block
F ig. 11 C A D E N A D E L S B S E X T E N D ID A
Esto es aplicable tanto a los bloques de S B S c o m o a otros polímeros. Por lo tanto
los bloques de poliestireno tienden a agruparse entre sí, al igual que los bloques
de polibutadieno. C a d a bloque de polibutadieno posee un bloque de poliestireno
en cada extremo y que los distintos bloques de poliestireno de la m i s m a molécula
de S B S no forman parte necesariamente del m i s m o cluster. Esto quiere decir que
los distintos clusters de poliestireno se mantendrán unidos entre sí por los bloques
de polibutadieno c o m o se ve en la fig. 12.
Fig.
12 V IS T A
DE
UNA M O L É C U L A
DE
SBS
Por ende, los clusters de poliestireno actúan c o m o reticulantes para los bloques de
polibutadieno.
64
4.5. P R U E B A S D E A S F A L T O S
Con el objeto de señalar los métodos realizados anteriormente a los asfaltos se
muestran algunas de las pruebas que se aplicaban para la clasificación de los
asfaltos.
4.5.1. VISCOSIDAD
Las especificaciones de los cementos asfálticos clasificados según su viscosidad
se basan por lo común en los rangos de viscosidad a 60°C (140°F). También se
especifica generalmente una viscosidad mínima a 135°C (275°F). El propósito es
dar valores límites de consistencia a estas dos temperaturas. Se eligió la
temperatura de 60°C (140°F) porque se aproxima a la máxima temperatura
superficial de las calzadas en servicio pavimentadas con mezclas asfálticas en los
Estados Unidos y en cualquier otra parte del mundo en donde la construcción de
caminos progresa; y la de 135°C (275° F), porque se aproxima a la de mezclado y
distribución de mezclas asfálticas en caliente para pavimentación.
Para el ensayo de viscosidad a 60°C (140°F) se emplea un viscosímetro de tubo
capilar. Los dos tipos más comunes en uso son: el viscosímetro de vacío del
Asphalt Institute y el viscosímetro de vacío de Cannon-Manning. Se calibran con
aceites normalizados.
Para cada viscosímetro se obtiene
un "factor de
calibración", cuyo uso se describe luego. Generalmente, los viscosímetros vienen
calibrados por el fabricante quien suministra estos factores.
El viscosímetro se monta en un baño de agua a temperatura constante, controlado
termostáticamente. Se vuelca asfalto precalentado en el tubo grande hasta que
alcanza el nivel de la línea de llenado. El viscosímetro lleno se mantiene en el
baño por un cierto tiempo hasta que el sistema alcance la temperatura de
equilibrio de 60°C (140° F).
Se aplica un vacío parcial en el tubo pequeño para inducir el flujo, porque el
cemento asfáltico a esta temperatura es muy viscoso para fluir fácilmente a través
de los tubos capilares del viscosímetro. También se conecta al sistema una bomba
de vacío.
65
Luego que el baño, viscosímetro y el asfalto se han estabilizado en 60°C (140° F),
se aplica vacío y se mide con un cronómetro el tiempo, en segundos, que tarda el
cemento asfáltico en fluir entre dos de las marcas. Multiplicando este tiempo por el
factor de calibración del viscosímetro se obtiene el valor de la viscosidad en
poises, la unidad patrón para medir viscosidad absoluta.
El viscosímetro de vacío del Asphalt Institute tiene muchas marcas para medir el
tiempo. Seleccionando el par apropiado, se puede usar para asfaltos con una
amplia variación de consistencias.
Los cementos asfálticos para pavimentación son lo suficientemente fluidos a
135°C (275°F) para fluir a lo largo de tubos capilares bajo fuerzas gravitacionales
únicamente. Por lo tanto, se usa un tipo distinto de viscosímetro, ya que no se
requiere vacío. El más usado es el viscosímetro de brazos cruzados Zeitfuchs.
También se lo calibra con aceites normalizados.
Como estos ensayos se hacen a 135°C (275° F), para el baño se requiere un
aceite claro apropiado. Se monta el viscosímetro en el baño y se vuelca el asfalto
en la abertura mayor hasta que llegue a la línea de llenado. Como antes, se deja
que el sistema alcance la temperatura de equilibrio. Para que el asfalto comience
a fluir por el sifón que está justo encima de la línea de llenado, es necesario
aplicar una pequeña presión en la abertura mayor o un ligero vacío en la menor.
Entonces el asfalto fluirá hacia abajo en la sección vertical del tubo capilar debido
a la gravedad. Cuando el asfalto alcanza la primera de las marcas se comienza a
medir el tiempo hasta que alcanza la segunda. El intervalo de tiempo, multiplicado
por el factor de calibración del viscosímetro, da la viscosidad cinemática en
centistokes.
Es necesario destacar que las medidas de viscosidad para 135°C (275° F) se
expresan en centistokes y para 60°C (140°F), en poises. En el ensayo de
viscosidad cinemática, la gravedad induce el flujo (resultados en centistokes) y la
cantidad de flujo a través del tubo capilar depende de la densidad del material. En
el ensayo de viscosidad absoluta, los resultados se dan en poises, y el flujo a
través del tubo capilar se induce por medio de un vacío parcial, siendo los efectos
gravitacionales despreciables. Estas unidades poises y stokes o centipoises y
66
centistokes - pueden ser convertidas unas en otras aplicando, simplemente, un
factor debido a la densidad.
4.5.2. PENETRACIÓN
Método ASTM D-5 indica la resistencia de un material bituminoso a la deformación
valores bajos indican gran resistencia. La penetración de un material bituminoso
es la distancia en décimas de milímetro que una aguja estándar penetra
verticalmente en la muestra contenida en un recipiente bajo condiciones
controladas de temperatura, carga y tiempo.
La consistencia del asfalto puedk medirse con un método antiguo y empírico,
como es el ensayo de penetración, en el cual se basó la clasificación de los
cementos asfálticos en grados normalizados. En la figura 13 puede verse el
ensayo de penetración normal. Consiste en calentar un recipiente con cemento
asfáltico hasta la temperatura de referencia, 25°C (77°F), en un baño de agua a
temperatura controlada. Se apoya una aguja normalizada, de 1 0 0 g de peso sobre
la superficie del cemento asfáltico durante 5 segundos. La medida de la
penetración es la longitud que penetró la aguja en el cemento asfáltico en
unidades de 0,1 mm.
Ocasionalmente el ensayo de penetración se realiza a distinta temperatura en
cuyo caso puede variarse la carga de la aguja, el tiempo de penetración, o ambos.
a l
e m p e z a r
l a
p r u e b a
l u e g o
d e
5
s e g
Fig. 13 ENSAYO DE PENETRACIÓN
67
4.5.3. P U N T O D E I N F L A M A C I Ó N
Método ASTM D-92 determina la adaptabilidad de la muestra a tratamientos
definidos y sirve de criterios de riesgo de fuego considerándose adecuado emplear
como máximo una temperatura de 50° F (10° C) menor a ¡a temperatura de
inflamación en el manejo, mezcla o tratamiento.
Cuando se calienta un asfalto, libera vapores que son combustibles. El punto de
inflamación, es la temperatura a la cual puede ser calentado con seguridad un
asfalto, sin que se produzca la inflamación instantánea de los vapores liberados,
en presencia de una llama libre. Esta temperatura, sin embargo, está bastante por
debajo, en general, de la que el material entra en combustión permanente. Se la
denomina punto de combustión (fire point), y es muy raro que se use en
especificaciones para asfalto.
Fig. 14 ENSAYO DE PUNTO DE INFLAMACIÓN
El ensayo más usado para medir el punto de inflamación del cemento asfáltico es
el "vaso abierto Cleveland" (COC) como se muestra en la Fig. 14 que consiste en
llenar un vaso de bronce con un determinado volumen de asfalto, y calentarlo con
un aumento de temperatura normalizado. Se pasa una pequeña llama sobre la
superficie del asfalto a intervalos de tiempo estipulados. El punto de inflamación es
68
la temperatura a la cual se han desprendido suficientes volátiles como para
provocar una inflamación instantánea.
4.5.4. PUNTO DE ABLANDAMIENTO
Método ASTM D-2398 proporciona una medida de la resistencia de un material al
cambio de sus propiedades debido a la temperatura. El ablandamiento de un
material asfáltico no se efectúa en un momento o a una temperatura definidos, a
medida que aumenta la temperatura del baño en el cual se encuentra la muestra
de asfalto en forma gradual cambia la consistencia de un estado excesivamente
espeso o de flujo lento, a un estado líquido mas blando y menos viscoso. La
temperatura a la cual la esfera en el asfalto toca la superficie de una placa inferior
corresponde a la temperatura de ablandamiento. Los asfaltos de diferentes tipos
reblandecen a temperaturas diferentes. El punto de reblandecimiento se determina
usualmente por el método de ensayo arbitrario de anillo y bola. Aunque este
ensayo no se incluye en las especificaciones para los asfaltos de pavimentación,
se emplea frecuentemente para caracterizar los materiales más duros empleados
en otras aplicaciones e indica la temperatura en la cual los asfaltos se hacen
fluidos.
El ensayo consiste en:
•
Llenar de asfalto fundido un anillo de latón efe dimensiones normalizadas.
•
La muestra se suspende en un baño de agua. Y sobre el centro de la muestra
se sitúa una bola de acero de dimensiones y pesos especificados.
•
A continuación se calienta el baño a una velocidad determinada
•
Se anota la temperatura en la cual la bola de acero toca el fondo del vaso de
cristal. Esta temperatura se denomina punto de ablandamiento del asfalto.
Los procedimientos y aparatos necesarios para la realización de este ensayo se
describen con detalle en los métodos AASHO T53 y ASTM D36.
69
4.5.5. S O L U B I L I D A D
Método ASTM D-2042 proporciona un criterio sobre la pureza de un material
bituminoso y en consecuencia un valor intrínseco la solubilidad CS2 permite
distinguir entre un asfalto natural y un asfalto derivado del petróleo: mientras que
la solubilidad en tatracloruro de carbono CCL4 indica si en asfalto ha sido
sobrecalentado o sobresoplado (oxidado), considerando el material insoluble como
“carbenos” el cual es un material bituminoso soluble en CS2 valores mayores de
9 9 % indica buena pureza. El ensayo de solubilidad es una medida de la pureza
del cemento asfáltico. La parte del mismo soluble en bisulfuro de carbono
representa los constituyentes activos de cementación. Solo la materia inerte, como
sales, carbón libre, o contaminantes inorgánicos, no son solubles. En este ensayo
se usa generalmente tricloroetileno, que es menos peligroso que el bisulfuro de
carbono y otros solventes. La mayoría de los cementos asfálticos son igualmente
solubles en cualquiera de ellos. El proceso para determinar la solubilidad es muy
simple. Se disuelven aproximadamente 2 grs. de asfalto en 100 mi de solvente y
se filtra la solución a través de una plancha de asbesto colocada en un crisol de
porcelana. Se pesa el material retenido por el filtro y se lo expresa como
porcentaje de la muestra original, obteniéndose el porcentaje soluble en bisulfuro
de carbono.
4.5.6. DUCTILIDAD
Método ASTM D-113 manifiesta la capacidad de un material bituminoso a dilatarse
o alargarse y permite conocer la adaptabilidad del material para su aplicación en
pavimentación, impermeabilización y revestimientos. Valore mayores a 100
indican buena capacidad, de 50 a 100 regular y menor de 50 mala. Cuando los
dos extremos del material asfáltico son jalados a una velocidad y a una
temperatura específica generalmente a 5 cm por minuto y 25 C respectivamente,
la ductilidad de los materiales asfálticos se mide por la distancia a la cual se puede
estirar antes de romperse. Algunos ingenieros consideran que la ductilidad es una
70
característica importante de los cementos asfálticos. Sin embargo, generalmente
se considera más significativa la presencia o ausencia de la misma, que su grado
rea!. Algunos cementos asfálticos que tienen un grado muy alto de ductilidad son
también más susceptibles a la temperatura. Es decir, que la variación de la
consistencia puede ser mayor debido al cambio de temperatura.
La ductilidad de un cemento asfáltico se mide con un ensayo tipo "extensión" para
el que se moldea una probeta de cemento asfáltico en condiciones y medidas
normalizadas. Se la lleva a la temperatura de ensayo de la norma, generalmente
25°C (77°F) y se separa una parte de la probeta de la otra a cierta velocidad,
normalmente 5 cm por minuto, hasta que se rompa el hilo de asfalto que une
ambos extremos de la muestra. La ductilidad del asfalto es la distancia (en cen­
tímetros) a la cual se rompe dicho hilo (ver Fig. 15).
F ig. 15 E N S A Y O DE DUCTILIDAD
71
C A P IT U L O 5
P R O P O S IC IO N E S T E C N O L O G IC A S
5.1 C O N C E P T O S B Á S IC O S D E R E O L O G ÍA
La reología es ia ciencia de ia deformación y el flujo de la materia bajo la influencia
de fuerzas externas, es una rama de la física que estudia el mecanismo de la
deformación de los cuerpos. La reometría describe los métodos e instrumentos
para registrar estos datos reológicos.
La deformación de un cuerpo puede ser dividida en dos tipos generales:
a) La deformación reversible espontánea o elástica: el trabajo o energía
mecánica usada para deformar un cuerpo elástico es almacenada y
recuperada cuando ei cuerpo retorna a su forma original al cesar el
esfuerzo.
b) La deformación irreversible, también llamada de flujo: el trabajo empleado
en la deformación se disipa en forma de calor y no es mecánicamente
recuperable.
5.2 A PL IC A C IÓ N D E P R O P IE D A D E S R E O L Ó G IC A S EN A S F A L T O S
Como ya se menciono, el asfalto es un residuo viscoso obtenido por destilación
del petróleo crudo y mediante algún tratamiento químico se obtiene productos
asfálticos altamente viscosos con propiedades reológicas especiales.
El uso del asfalto es ampliamente dependiente de sus propiedades mecánicas, en
particular de aquellas relacionadas a la reología
La caracterización geológica de los asfaltos
se basa principalmente en dos
propiedades: la penetración y la temperatura de ablandamiento. De acuerdo con
72
estas propiedades los asfaltos
se han clasificado por tipo y dureza. Los asfaltos
difieren en tipo cuando la distancia entre sus temperaturas de ablandamiento y la
temperatura correspondiente con cierta penetración
es diferente. Se dice que
tienen diferente dureza cuando son del mismo tipo pero diferente en su
temperatura de ablandamiento.
5.3 P R O P IE D A D E S R E O L Ó G IC A S D E A S F A L T O S
El objeto de una investigación del comportamiento geológico de asfaltos es para
encontrar la relación entre deformación, esfuerzo, tiempo de carga y temperatura.
En deformación
la mayoría de los asfaltos presentan propiedades viscoelásticas.
La relación elasticidad a la parte permanente de la deformación depende del
esfuerzo, tiempo de carga y temperatura. A ligeras deformaciones y tiempos
cortos de carga, la deformación es predominantemente elástica; a deformaciones
considerables y grandes tiempos de carga predomina la deformación viscosa. En
la mayoría de los casos la deformación consiste en una parte ideal elástica y en
una parte que presenta elasticidad retardada.
A pequeñas deformaciones la relación entre deformación y esfuerzo es lineal,
cuando la deformación es mayor y con grandes tiempos de carga se presentan
desviaciones de la linealidad.
5.4 C O M P O R T A M IE N T O D EL A S F A L T O
5.4.1 T E M P E R A T U R A S A LT A S
En condiciones calidas (desérticas) o bajo una carga sostenida (movimiento lento).
El cemento asfáltico actúa como un líquido viscoso. La viscosidad es la
característica física de material usada para describir la resistencia de los líquidos a
fluir.
73
Los asfaltos son llamados algunas veces plásticos o líquidos viscosos debido a
que una vez que inician su flujo no regresan a su posición original. Este fenómeno
se observa en estaciones cálidas, en donde algunos pavimentos asfálticos no
estables fluyen bajo repetidas cargas de tráfico sin embargo, las deformaciones
(ahuellamiento) en el pavimento asfáltico son también influenciadas por ¡as
propiedades del agregado, por lo que es correcto decir que la mezcla asfáltica se
comporta como plástica.
5.4.2 T E M P E R A T U R A S IN T E R M E D IA S
La mayoría de las condiciones ambientales son intermedias entre extremos
calidos y fríos, en estos climas el asfalto presenta características tanto de líquido
viscoso como de sólido elástico. Debido a este rango de comportamiento el asfalto
es un excelente material adhesivo para uso en pavimentación, sin embargo es un
material extremadamente complicado para entenderlo y explicarlo, esto es debido
a su estructura compleja y alteración de sus propiedades bajo agentes externos.
Cuando un asfalto se calienta actúa como un lubricante permitiendo que el
agregado pétreo sea mezclado como se puede ver en la Fig. 16
cubierto y
compactado para formar una superficie densa y lisa. Después del enfriamiento, al
asfalto actúa como un aglutinante para mantener el agregado junto en una matriz
sólida. En este estado final el comportamiento del asfalto en una carpeta asfáltica
se denomina viscoelástico teniendo ambas características, viscosa y elástica
dependiendo de la temperatura y tiempo de carga a la que se somete.
En la TABLA 10 . Se puede ver la composición del material pétreo de acuerdo a
su contenido de sílice ya que es necesario conocer que tipo de piedra se tiene
para el mezclado, Estas se dividen en tres principalmente. Acidas: contienen un
6 6 % de bióxido de silicio (Si 0 2) Intermedias tienen un 52 a 65 % . Básicas
contienen menos del 5 2 %
74
F ig . 16 M E Z C L A D EL A S F A L T O Y E L A G R E G A D O P E T R E O
TA B LA 10 C LA S IFIC A C IO N D E L M A T E R IA L P E T R E O
PO R SU C O N T EN ID O D E S IL IC E
Rocas Acidas
Granitos
Gramodiorita
Granito Pórfido
Riolita
Diacita
Rocas Intermedias
Cienita
Traquita
Traquiandesita
Diorita
Andesita y Fonolita
Rocas Básicas
Gabro
Basalto
Peridotita
Piroxenita
Diabasa y Dolerita
5.4.3 T E M P E R A T U R A S B A JA S .
En climas fríos o bajo cargas rápidamente perecidas, el cemento asfáltico se
comporta como un solidó elástico. Los sólidos elásticos son como bandas de
caucho, se deforman cuando hay una carga sobre ellas, y cuando cesa la carga
regresan a su forma original. Si el esfuerzo es mayor a la capacidad
de
deformación, estos pueden romperse.
Aun cuando el cemento asfáltico es un solidó elástico a bajas temperaturas
pueden volverse quebradizos y fracturarse bajo una carga excesiva. Por esta
razón en estaciones frías se presenta en algunas ocasiones la ruptura, en este
caso las cargas son aplicadas por esfuerzos internos que se acumulan en el
pavimento asfáltico
75
5.4.4 E N V E J E C I M I E N T O D E L A S F A L T O
Ya que la mayoría de las moléculas del asfalto son orgánicas, estas reaccionan
con el oxigeno atmosférico, esta reacción de oxidación cambia la estructura y
composición de las moléculas del asfalto. La oxidación cambia ocasiona que ei
asfalto sea mas quebradizo, generando el termino de endurecimiento o
envejecimiento oxidativo.
En la práctica ocurre un considerable endurecimiento oxidativo antes de que el
asfalto sea colocado como carpeta asfáltica (durante su manejo y mezclado con el
agregado pétreo). Para facilitar el mezclado, el asfalto es adicionado al agregado
pétreo caliente y la mezcla se mantiene a temperaturas elevadas por periodo de
tiempo variables dependiendo de las prácticas comunes de trabajo, debido a que
el asfalto permanece como una película delgada cubriendo el agregado pétreo la
oxidación ocurre mas rápidamente en esta etapa.
Otra forma de endurecimiento incluye la volatilización y endurecimiento físico. La
primera ocurre durante la construcción y mezclado en caliente, cuando los
componentes mas ligeros y volátiles tienden a evaporar del asfalto debido al
sobrecalentamiento del mezclado, el segundo tipo de endurecimiento ocurre
cuando el asfalto ha sido expuesto a bajas temperaturas por largos periodos de
tiempo, siendo el endurecimiento mas pronunciado
a temperaturas menores a
0°C.
5.5 P A R A M E T R O S R E O L O G IC O S D E C LA S IFIC A C IO N D E A S F A L T O S
Hasta el presente las especificaciones para asfaltos
en gran parte del mundo
(ASTM, AASHTO) se basan principalmente en medidas de penetración, la
viscosidad y la temperatura de ablandamiento y ductilidad del asfalto que
presentan diversos inconvenientes tales como: no son adecuadas para medir ¡as
propiedades viscoelásticas del asfalto y no reproducen o simulan las condiciones,
tiempos de carga y ambientales a las que el pavimento esta sujeto.
Dado el
carácter empírico de muchas de estas propiedades no es posible obtener una
76
relación confiable entre las propiedades del asfalto y el comportamiento que
presenta en el camino.
Con estos antecedentes el “Strategic Highway Research Program, SHRP” tuvo
como objetivo final la redacción de las nuevas especificaciones
para asfaltos,
pero con una condición fundamental: que las mismas estén basadas en la
medición de propiedades de ingeniería fundamentales del asfalto que a su vez
puedan ser relacionadas con su comportamiento en servicio.
Las actuales normas para asfaltos basadas en penetración o en viscosidades
presentan las siguientes desventajas:
•
No incluyen medidas de las propiedades del asfalto que pueden ser
relacionadas con el comportamiento en servicio
•
En el rango a altas temperaturas en servicio miden la viscosidad capilar a
60°C, la cual no es adecuada para algunos asfaltos envejecidos y
modificados con polímero
•
No existen parámetros basados en ensayos que pueden caracterizar las
propiedades del asfalto a bajas temperaturas
•
La compatibilidad interna del asfalto se evalúa con la prueba ductilidad, la
cual es poco reproducible
•
Se basan también en el concepto de susceptibilidad
térmica medida
mediante el Pl, PVN o el VTS, lo cual es erróneo dado que estos índices no
toman en cuenta los efectos de temperatura y tiempo de carga.
La estrategia empleada por SHRP a fin
de obtener como producto final una
especificación para asfaltos, que sea válida para asfaltos modificados, reciclados,
oxidados, etc. Fue:
•
Identificar los modos de falla mas importantes de los pavimentos asfálticos
que serán relacionados con las propiedades de los asfaltos
•
Identificar propiedades fundamentales de los asfaltos asociados con los
modos críticos de fallas en los pavimentos asfálticos.
77
•
Identificar temperaturas máximas y mínimas de diseño y tiempos de
cargas.
•
Seleccionar métodos de ensayos que sean capaces de medir propiedades
fundamentales del asfalto
•
Seleccionar
ensayos
substitutos
cuando
sea
necesario
para
las
especificaciones.
El programa SHRP delineo la siguiente estrategia: requiere un estudio de las fallas
de los pavimentos flexibles, su correlación con las propiedades físicas
de los
asfaltos, el desarrollo de ensayos que pudieran conducir a la medida de esas
propiedades fundamentales, y finalmente incluir valores limites de dichas
propiedades en forma de especificación.
Las condiciones que simulan las tres etapas criticas durante la vida del ligante
son: las pruebas sobre la muestra original que representan la primer etapa de
transporte, almacenamiento y bombeo; la segunda etapa que representa al asfalto
durante producción
de mezclado y construcción
y es simulada por la
especificación por el envejecimiento del asfalto en un horno de película delgada
en movimiento RTFOT, la cual expone películas de asfalto al calor y al aire
formando una atmósfera oxidante y simula el envejecimiento durante el mezclado
en la planta de mezcla en caliente HOT MIX y la etapa de construcción o
extendido como carpeta asfáltica. La tercera etapa ocurre cuando el asfalto se
envejece por un largo periodo como parte del pavimento como mezcla con
agregados pétreos, filler, arena, etc. Esta etapa es simulada por la prueba de
envejecimiento presurizado PAV, la cual expone a la muestra a calentamiento y a
presión simulando años de servicio.
5.5.1 M E C A N IS M O S D E FA L LA S C O N S ID E R A D O S
Los modos de fallas que mas preocupan al ingeniero
de diseño de mezclas
asfálticas son: fisuramiento térmico por contracción a bajas temperaturas,
fisuramiento por fatiga asociado con cargas dinámicas, deformación plástica en las
78
capas asfálticas superiores, envejecimiento prematuro y daño por la presencia de
humedad.
5.5.2 T E M P E R A T U R A S D E D IS EÑ O
Las condiciones ambientales tienen una gran influencia en la temperatura de los
pavimentos flexibles y por ende en el comportamiento de los mismos en servicio,
por la que el efecto del clima es incorporado en las especificaciones.
El SHRP
recomienda el uso de la mínima temperatura del pavimento en la selección del
asfalto para resistir fractura a baja temperatura y la temperatura m áxima
del
pavimento promedio de los siete días seguidos de máximas temperaturas durante
el año a fin de evitar deformaciones permanentes. Por ejemplo si la clasificación
de un asfalto es PG 64-22 esto significa.
PG = Grado Performer
64
= Temp. de diseño, temp. Máxima del pavimento, °C
-22 =
Temp. de diseño, temp. Mínima del pavimento, °C
5.5.3 C L A S IF IC A C IO N D EL A S F A L T O AC-20
Un asfalto AC-20 posiblemente cumpla con un PG 64-22, normalmente se
comienza
a
ensayar
a
temperaturas
intermedias
de
la
TABLA
15
(Especificaciones SHRP para asfaltos) por ejemplo: A altastemperaturas
se
puede comenzar a 58°C para continuar elevando la temperatura si es que el
asfalto cumple holgadamente con la primera. En asfalto determinado puede
cumplir con diferentes grados al mismo tiempo, así por ejemplo un asfalto
clasificado como PG 64-28 también cumple con PG 64-22 y PG 64-16 como se
puede ver en la tabla
mismos limites para
G*
en donde se observa que todos los PG 64- tienen los
s e n S , sin
embargo la que distingue a estos asfaltos son
las propiedades a intermedias y bajas temperaturas, las cuales cuando estas se
incrementas darán como resultado valores mucho menores que los limites. Un
79
asfalto que pasa la viscosidad y
G'¡ senS
a 64°C antes y después de RTFOT
esta en perfectas condiciones de pasar los ensayos a menores temperaturas,
tales como 58°C y 52°C, es decir un asfalto PG 64- es también PG 58- y PG 52sin embargo a bajas e intermedias temperaturas no es tan simple: el parámetro
G
* •senS es el que controla el grado del asfalto a bajas temperaturas. Un asfalto
PG 64-28 tendrá un G ’ •senS menor de 5MPa a 22°C sin embargo el asfalto no
puede ser clasificado como PG 58-28 dado que si bien pasara los controles de
viscosidad y rutting, el valor
G* • senS
debe pasarlo a 19°C en lugar de a 22°C y
cuando la temperatura disminuye el modulo crece a valores que serán superiores
al limite en este caso. El asfalto puede ser clasificado como PG 58-22 perdiendo
un grado a bajas temperaturas, como conclusión, el asfalto PG 64-28 no se
corresponde al PG 58-28 debido a diferentes temperaturas en el factor de fatiga
G*
•senS,
el asfalto PG 64-28 probablemente cumpla los requisitos de algunos
grados PG 52- por ejemplo PG 52-16 ó PG 52-10, por las mismas razones ya
mencionadas. Es imposible destacar aquí que los asfaltos PG 52- se requiere
envejecer los mismos con el ensayo PAV a menor temperatura, por lo tanto para
saber en que grado un asfalto PG 64-28 cumple con uno PG
52- se deberá
envejecer ese asfalto de acuerdo con estos requerimientos.
Por otro lado, a lo mejor cumple con algunos de los grados PG 70- si los límites a
altas temperaturas han sido pasados holgadamente.
Los distintos rangos de asfalto PG de los asfaltos están diseñados a fin
maximizar o cuantificar la contribución
de
del ligante con respecto al aliviamiento
de los tres modelos de falla de un pavimento flexible: deformación permanente,
fatiga y fractura térmica.
El corte dinámico G*
senS
es la contribución de la resistencia al ahuellamiento
de los autos sobre la carpeta asfáltica, mientras que el G* •
sen5
es la
contribución a la resistencia a la fatiga, deformación permanente y desintegración
por fatiga respectivamente. Se requieren valores altos de G*
senS
y valores
80
bajos de G* •
senS
a fin de evitar reducir la capacidad de disipación de tensiones
de las carpetas asfálticas.
En el territorio Mexicano según el clima es el asfalto que se usa predominando los
climas templados el AC-20 es el mas usado y producido por PEMEX, el AC-10
usado en las zonas frías y el AC-30 en las zonas de climas mas calurosos. Como
asfalto PG, en estudios realizados
asfaltos
en el IMP sobre las características de los
de las refinerías de PEMEX - Refinación, el asfalto AC-20 que
normalmente se produce se homologa como el PG 64-24.
5.6 N U EV O S E N S A Y O S R E O L O G IC O S P A R A A S F A L T O S
Los ensayos miden propiedades reológicas en la zona de alta temperatura de
elaboración del producto (mezclado bombeo y compactación), altas temperaturas
del servicio, temperaturas intermedias del servicio y bajas temperaturas de
servicio. Dichos se describen a continuación:
5.6.1 R E O M E T R O
R H E O M ET ER )
DE
CORTE
D IN A M IC O
D SR
(DYNAM IC
SHEAR
Este equipo permite medir el modulo complejo de corte (G*) y el ángulo de fase
(<5) a diferentes temperaturas y tiempos de carga, expresando este ultimo en
radianes por segundo. Como los esfuerzos responsables de la deformación
plástica del asfalto son los de corte, la reometría en corte simple es la técnica mas
adecuada para prevenir deformaciones permanentes del ligante. La muestra del
asfalto colocada entre dos placas paralelas con espesor de 2 mm y diámetro de
25 mm para altas temperaturas, o espesores de 1 mm y diámetro de 8 mm para
temperaturas intermedias.
Se aplica una frecuencia de oscilación
de 10
radianes/segundo (1.59 Hz)
81
Ei comportamiento del asfalto depende tanto del tiempo de carga como de la
temperatura.
En el reómetro DSR la muestra de asfalto se coloca de acuerdo a la Fig. 17
entro dos platos, uno fijo y el superior móvil u oscilante, este al inicio cerrado en la
marca A, de la posición a se oscila a la marca B y de este pasando nuevamente
por el punto A se oscila al posición en el punto C, la muestra de asfalto recupera
parcialmente su posición original localizado en la línea
de centro A. Parte del
trabajo realizado es recuperado por la componente elástica del asfalto y parte se
pierde en forma de calor debido al componente viscoso.
Esta oscilación de un ciclo es continuamente requerida durante la operación del
DSR. El DSR se usa para caracterizar el comportamiento viscoso y elástico
midiendo en modulo de corte complejo G* y el ángulo de fase
8
del asfalto, G*
mide la resistencia del material a la deformación cuando es expuesto a repetidos
pulsos de esfuerzos de corte, consiste en dos componentes: deformación viscosa
o no recuperable y deformación elástica o recuperable,
cantidad de esta deformación. G* y
8
8
es un indicador de la
dependen de la temperatura y frecuencia de
carga, a altas temperaturas los asfaltos son como fluidos viscosos sin capacidad
de recuperación de una deformación aplicada y no existe componente elástico
(£=90°), a bajas temperaturas se comportan como sólidos elásticos (£=0°),
recuperándose completamente a una deformación. Bajo condiciones normales de
temperatura y cargas
características
de
tráfico, el
ligante
asfáltico
de líquido viscoso y sólido elástico,
actúa
con
ambas
por lo que representa un
comportamiento viscoelástico.
La deformación permanente es gobernada limitando el valor de G*
senS
a la
temperatura de prueba para valores > de 1 KPa para el asfalto original y 2.2 KPa
para el residuo RTFOT La desintegración por fatiga es gobernada por G* •
senS
del residuo PAV a valores menores de 5000 KPa a la temperatura de prueba.
82
radio
;
j
P lato o s c ila n te
aítu ra, h
1
P i a t o f}jo
M u e stra de
a sfalto
Fig. 17 REÓMETRO DE CORTE DINÁMICO DSR
5.6.2 ENVEJECIMIENTO RTFOT
O envejecimiento de película delgada rodante en horno. La Fig. 18
muestra el
horno usado para el ensayo de película delgada rodante y también el frasco de
diseño especial para contener la muestra.
En este horno, se puede acomodar ocho muestras. El tiempo requerido para
alcanzar determinadas condiciones de endurecimiento en la muestra es de
aproximadamente 3 hr
El ensayo consiste en:
Pesar los vasos vacíos con milésimas de exactitud
Se vacía 35 gr. de cemento asfáltico en un recipiente se colocan en forma
horizontal y se deja enfriar.
Volver a pesar los vasos pero ahora con el asfalto ya frío.
Se coloca el recipiente en un soporte que gira a cierta velocidad alrededor
de un eje horizontal en un horno mantenido a una temperatura de 163°C.
83
Al rotar el frasco, el cemento asfáltico es expuesto constantemente en películas
nuevas. En cada rotación e! orificio de! frasco de la muestra pasa por un chorro de
aire caliente que barre ios vapores acumulados.
Volver a pesar los vasos pero ahora con el asfalto ya frío y envejecido
Las perdidas no deben sobrepasar el 1 %
T ~ T =í
Fig. 18 ENSAYO DE PELICULA
DELGADA RODANTE EN HORNO
5.6,3 ENVEJECIMIENTO A PRESION PAV (Pressure A g in g Vessel)
El envejecimiento que sufre el asfalto durante su vida útil en el camino es tomado
en cuenta medíante esta prueba, este equipo utiliza aire comprimido
a alta
presión (2070KPa) y altas temperaturas de manera que puede simular ei
envejecimiento a largo plazo en tan solo 20 hrs. de ensayo Se utilizan muestras de
asfaltos previamente envejecidas mediante la prueba de película delgada en
movimiento RTFOT, las cuales se colocan en 10 recipientes que a su vez se
colocan dentro de una vasija de acero inoxidable. Las temperaturas de ensayo
varían según el clima de la región (90, 100, 110). El ensayo simula entre 5 y 10
años de envejecimiento en el camino.
El recipiente PAV es precalentado a la temperatura de prueba deseada, la
muestra del rack se introduce en e! interior y rápidamente se asegura para evitar
excesivas perdidas por calentamiento, se aplica la presión y se inicia la lectura del
84
periodo de calentamiento, después de 20 hrs. lentamente se libera la presión
en
un lapso de 8 a10 minutos. Al retirar el rack de muestra se colocan en un horno a
163°C por 30 minutos o más.
Como una primera diferencia entre ias nuevas especificaciones y las acíuaies en
uso es; que la propiedad de los asfaltos se miden a distintas temperaturas de
acuerdo con el clima de la región considerada mientras los valores limites
permanecen constantes, la TABLA 15
muestra las especificaciones SHRP para
asfaltos. Por razones de seguridad se establece un valor mínimo de la
temperatura de inflamación
de 230°C para todos los asfaltos en su condición
original. Para asegurar una adecuada trabajabilidad {adecuado mezclado y
bombeado), la especificación fija como máxima una viscosidad de 3.0 a 135°C en
el asfalto original y para todos los grados. Para evitar envejecimiento excesivo
(volatilización) durante la etapa de mezclado y construcción se establece una
perdida de masa máxima de 1 % en el residuo RTFOT.
5.6.4 REOMETRO DE FLEXION BBR (Bending Beam Rheometer)
Se esta en condiciones de medir las propiedades del asfalto
mínimas del pavimento mediante un ensayo
a temperaturas
de creep o ruptura a bajas
temperaturas que muestran como el asfalto se deforma bajo una carga constante
permitiendo medir la dureza del mismo y el valor de la pendiente
a ¡os 60
segundos de carga. Esta dureza en el ensayo a flexión permitirá determinar si el
asfalto puede resistir fisuramiento térmico a bajas temperaturas y
esta
relacionado con el concepto de "limite de temperatura”, que es la temperatura del
pavimento a la cual un valor dado de la dureza es alcanzado por el asfalto a un
tiempo especifico de carga Fig. 19 Se emplea para medir que tanto un asfalto se
deforma o se rompe bajo una carga constante a una temperatura constante las
temperaturas de prueba del BBR están relacionadas a las bajas temperaturas del
servicio del pavimento, cuando la muestra actúa mas como un sólido elástico. Se
aplica al residuo del RTFOT y PAV por lo que la prueba mide las características
85
de funcionalidad del asfalto como si este fuera expuesto al mezclado en plantas
Hot-Mix como si hubiera estado en servicio varios años. El método de prueba usa
la teoría de vigas para calcular la dureza de una barra de asfalto bajo una carga
constante de la ruptura, al aplicar esta carga se mide el centro de deflexión de la
barra por 4 minutos, la dureza (s) y ia velocidad de ruptura (m) pueden ser
calculados. La carga simula el esfuerzo térmico que gradualmente es acumulado
en el pavimento cuando desciende la temperatura.
Termómetro
Soportes
"Warra d e asfalto
6 2 5 x 12 5 x 12 5 m m
D efl«*x .6 n
de
la Ba rr a d e asfaJto
Fig. 19 REÓMETRO DE FLEXIÓN BBR
5.6.5 ENSAYO DE TENSION DIRECTA DTT (Direct Tensión Tester)
Mide la deformación de ruptura a temperaturas bajo cero donde el asfalto presenta
comportamiento frágil. El ensayo se realiza sobre muestras de asfalto que han
sido sometidas a envejecimiento a corto y largo plazo, RTFOT y PAV. Ver Fig. 20
Indica si el asfalto es dúctil a bajas temperaturas, la desintegración a bajas
temperaturas.
T
Fig. 20 ENSAYO DE TENSION DIRECTA DTT
86
Se han seleccionado parámetros que miden la viscosidad del asfalto, el modulo
dinámico de corte y el ángulo de fase, la dureza y la pendiente de la curva dureza
vs. Tiempo, y las características de fractura a bajas temperaturas. Estos
parámetros se relacionan con las fallas mecánicas que presentan los asfaltos de la
siguiente forma:
D E F O R M A C I O N P E R M E N E N T E ( t e n d e r n e s s rutting):
Este tipo de falla del pavimento es critica a altas temperaturas de servicio y es
causada por la acumulación de deformaciones plásticas en la mezcla que resulta
de la aplicación repetida de cargas del transito, las propiedades del ligante
asfáltico junto con los agregados y las características de las mezclas juegan un
papel importante en la resistencia a la deformación por ahuellamiento.
F IS U R A M IE N T O P O R G A T IG A D E L A S C A R P E T A S A S F A L T IC A S :
La fatiga de las cargas asfálticas generalmente se producen hacia el final de la
vida útil del pavimento, esto requiere que el asfalto a ensayar se haya sometido a
envejecimiento de largo plazo lo cual se logra mediante la prueba
de PAV
previamente envejecido por la prueba RTFOT.
F IS U R A M IE N T O T E R M IC O P O R C O N T R A C C IO N A B A J A S T E M P E R A T U R A S :
Este
fenómeno que se manifiesta generalmente con la aparición
de fisuras
transversales en la superficie del pavimento es evaluado mediante ei BBR y ei
DTT. Las propiedades mecánicas del asfalto se miden en términos de la dureza
en función del tiempo, la pendiente de la curva (m), y la deformación a la ruptura.
A medida que la temperatura del pavimento decrece el asfalto se contrae, se
crean tensiones que se acumulan en el pavimento, cuando estas tensiones
exceden la resistencia del ligante aparece la fisura. Las investigaciones llevadas
acabo por SHRP han demostrado que si el asfalto puede ser estirado mas del 1 %
de su longitud original durante esta contracción, las fisuras son menos probables
que se produzcan. De esta manera surgió la necesidad de establecer el ensayo
87
de tensión directa y limitar la deformación por rotura a un valor mínimo del 1 % a la
misma temperatura que el BBR y a una velocidad de deformación de 1 mm/min.
Con ello se asegura que el pavimento no entrara en la región
de ruptura y
fragilidad dentro de sus temperaturas de servicio.
5.7 DESARROLLO EXPERIMENTAL
5.7.1.
PREPARACIÓN
DE
MEZCLAS
EXPERIMENTALES
ASFALTO-
POLIMERO
Objetivo: Mezclar asfalto AC-20 Pemex Refinación con tres polímeros distintos
(Sorprene SBR 4170, Sorprene SBS 411, Hule de Llanta Molido) de acuerdo a las
proporciones adecuadas para su mejor aprovechamiento.
Las proporciones para cada uno de los polímeros son las siguientes:
1. Sorprene SBR 4170 corresponde el 3 % en peso volumétrico del asfalto.
2. Sorprene SBS 411 corresponde el 3 % en peso volumétrico del asfalto.
3. Hule de Llanta Molido corresponde el 14 % en peso volumétrico del asfalto.
1.- Inicialmente se calienta la muestra de asfalto AC-20 a 100 °C y se vacía 1.3 L a
tres diferentes recipientes.
2.- Enseguida se calientan las tres muestras DE AC-20 a 180 °C.
3.- Seguido de esto se pesa el polímero de acuerdo a las proporciones ya
establecidas, se agrega el polímero lentamente y verificando temperatura
constante (180° C).
4.- Posteriormente se mantienen temperatura y agitación constantes hasta que los
grumos de polímero hayan desaparecido por completo.
5.- Finalmente se dejan enfriar la mezclas asfalto - polímero para realizar las
pruebas correspondientes.
En la TABLA 11 se muestran los resultados obtenidos de las pruebas realizadas
para caracterizar las tres muestras de asfaltos modificados con polímero con el fin
de conocer la procedencia química con pruebas analíticas típicas.
88
T A B L A 11 C A R A C T E R I Z A C I Ó N D E A S F A L T O S M O D I F I C A D O S .
PRUEBAS
VISCOSIDAD a 135°C,
(Cp)
PENETRACION
10Og/5seg/25°C ,
1/10 mm
TEMPERATURA DE
ABLANDAMIENTO
(°C)
TEMPERATURA DE
INFLAMACIÓN (°C)
TEMPERATURA DE
IGNICIÓN (°C)
AC-20
SBR
AC-20
SBS
AC-20
HULE DE
LLANTA
1 1 2 1 .4
1 1 8 2 ,4
1118 1
50
51
53
5 3 .6
58
6 0 .5
320
308
296
360
342
340
5.7.2. PRUEBAS
A continuación se muestra el desarrollo experimental de algunas de las pruebas
reológicas que se hacen a los asfaltos modificados, tanto a los asfaltos de uso
común, así como a los modificados con polímeros, estas pruebas se basan en el
estudio de la deformación
y flujo de la materia en términos de tensión,
deformación, temperatura y tiempo.
REOMETRO DE CORTE DINAMICO DSR
El propósito de este equipo es medir las propiedades del ligante a intermedias y
altas temperaturas.
•
Verificar y purgar el flujo de aire seco al DSR hasta obtener un cambio de
color de rosa a azul.
•
En el reómetro verificar que el regulador de presión este en 4Kg/cm2 y
bomba de recirculación, quitar la capucha de protección y verificar que este
libre la base del plato superior, encender la PC, el equipo de electrónica,
(para apagar empezar al contrario).
•
Desde la PC entrar al software US200, abrir una plantilla de mediciónanálisis, iniciar el sistema (mide la inercia del motor), esta operación de
89
inicializar el sistema se realiza una sola vez cada que se enciende el
equipo, verificar que la temperatura de la prueba sea la correcta de 58 °C e
iniciar el calentamiento.
•
Para ajustar el DSR a cero, alojar el prisionero de la geometría o plato móvil
e instalarlo en el reómetro, bajar la cabeza hasta que haga contacto con ei
plato inferior y colocar el horno o cámara de aislamiento para obtener una
temperatura homogénea y las geometrías se dilaten, verifique la lectura de
la electrónica y del CPU y esperar 5 min.
•
Apretar la geometría superior, estando en contacto con la inferior, poner en
ceros el micrómetro digital y el manual, levantar la cabeza del reómetro y
ajustar la separación de los platos a 1000 micrones +- 50 micrones extras
con el micrómetro manual (una vuelta + 5 líneas en dirección contraria a las
manecillas del reloj) verificar esta separación con el micrómetro digital
bajando la cabeza del reómetro una vez logrado el ajuste.
•
El diámetro del plato depende de la prueba, (asfalto original y RTFOT de
25 mm de diámetro y 1000 + 50 micrones, el envejecido con el PAV de 8
mm de diámetro y 2000 + 60 micrones).
•
Preparar una muestra de asfalto con un diámetro igual al plato oscilante de
DSR; calentar la muestra hasta que fluya (<150°C) agitando para remover
burbujas de aire, escurrir el asfalto dentro del molde de látex en forma de
disco, dejar enfriar 10 min. Quitar el horno, levante la cabeza de reómetro,
quite el plato superior y coloque la muestra en el, coloque el plato móvil en
su base, el espesor de la muestra de asfalto entre el plato fijo y el móvil
debe ser cuidadosamente controlado así como el enrase, hasta obtener el
espesor de 1000 + 50, alzar ligeramente la cabeza del reómetro y hacer un
ajuste final (restar las 5 líneas) del espesor a 1000 micrones con el
micrómetro manual, verificar este ajuste con el micrómetro digital , colocar
el horno y esperar a alcanzar la temperatura de prueba de 58 °C.
•
Continuar con las instrucciones de software para iniciar la prueba reológica.
Los resultados se pueden ver al la TABLA 13.
90
H O R N O D E PELÍCULA D E L G A D A ROTATIVA RTFOT
E!
propósito de
este equipo
es
simular
las características del
ligante
(endurecimiento del asfalto a mediano plazo durante su manejo en la mezcla en
caliente: mezclado - extendido - comparación), como varían sus propiedades de
viscosidad y reológicas, así como también la volatilidad del asfalto por pérdida de
masa.
•
Precalentar a 163 °C el RTFOT 16 hr. antes después de su uso según el
método, encender el flujo de aire, el carrusel y el ventilador 30 min. Antes
de meter las botellas con la muestra para estabilizar la temperatura en el
horno.
•
Pesar dos botellas vacías a 0.001 gr.
•
Calentar la muestra de asfalto (120 - 125 °C < 150 °C) para vaciar a los
recipientes o botellas.
•
Verter 35 ±0.5 gr. De muestra en cada botella, ponga la botella en una
posición horizontal y deje que se enfríen (60 - 180 min.) (ocho botellas: dos
para pérdida por calentamiento y 6 para pruebas posteriores en el DSR y
PAV.)
•
Pesar las dos botellas con la muestra fría a 0.001 gr., antes de meterlas en
el RTFOT.
•
Apagar el ventilador y el carrusel, y entonces colocar las botellas en el
carrusel cerrar la puerta y encender nuevamente el motor del carrusel y el
ventilador, permita que el horno alcance nuevamente su temperatura,
10min aprox.
•
Inicie el tiempo de prueba 85 min. De acuerdo al ASTM D-2872.
•
Después del RTFOT, coloque las dos botellas en posición horizontal y
déjelas enfriar (60 - 180 min.) se pesan y se desechan las pérdidas de
masa y son reportadas como:
, ,
,
l "rdidasdemasa
=
masaorieinal - masaenveiecida
,
xluü
masaoriginal
91
•
Las 6 botellas restantes son vertidas una por una, en un recipiente y en un
lapso de 5min. (manteniendo el equipo funcionando excepto ventilador), se
homogeniza para futuras pruebas en el DSR y en el PAV en las próximas
72 hr.
•
Al término de la prueba RTFOT, a la muestra se le conoce como residuo de
RTFOT.
Los resultados se pueden ver en la TABLA 13
RECIPIENTE DE ENVEJECIMIENTO PRESURIZADO PAV
El propósito de este equipo es simular las características de envejecimiento del
ligante (endurecimiento del asfalto a largo plazo simulando de 5 - 10 años de
servicio como carretera o carpeta asfáltica.)
•
Calentar a una temperatura menor de 135 °C la muestra RTFOT hasta que
fluya y asegurar homogeneidad.
•
Se preparan 3 muestras de 50 gr. Cada una colocada en los platos PAV.
•
Colocar el rack vacío dentro del PAV.
•
Encender y escanear el PAV.
•
Especificar la temperatura de prueba.
•
Precalentar el PAV (sin presión), ( foco rojo 3 - 5 hr. Al alcanzar la
temperatura se enciende el foco verde), abrir el PAV y colocar los platos
con las muestras dentro del rack, cerrar rápidamente para evitar excesivas
pérdidas de calor.
•
Ajuste el flujo de aire colocando la válvula milimétrica en una lectura.
•
Apriete la tecla AGE cuando el PAV este a ±2
°C
dentro de la temperatura
especificada (25 min. Para alcanzar el SP1), el equipo PAV se presiona
automáticamente 2.1 ±0. 1 Mpa al alcanzar el SP1, el botón verde
corresponde al envejecimiento se enciende y se inicia el periodo de
envejecimiento el cual tarda 20 hr.
•
Si durante las 20 hr. De la prueba se presenta una falla en la fuente de
energía la prueba se considera nula.
92
•
Al término de la prueba (20 hr.) el equipo se EPAGA automáticamente y la
presión es gradualmente eliminada en un lapso de 8 - 10 min. Para evitar
excesiva formación de espuma en las muestras de asfalto.
•
No abra el PAV hasta que la presión sea menor de 0.07 Mpa o atmosférica.
•
Sacar el rack de muestras con cuidado y colocarlas dentro de un horno
(RTFOT) a 163 °C por 30 min. Para eliminar el aire atrapado en las
muestras.
•
Estas muestras son transferidas a un recipiente con una espátula para
almacenamiento y futuras pruebas en el DSR y BBR.
•
Reporte la identificación de la muestra, temperatura de prueba máxima y
mínima, temperatura de envejecimiento, tiempo total de envejecimiento en
el cual la temperatura estuvo fuera de rango especificado y tiempo total de
envejecimiento en hr. Y min.
Los resultados se muestran en la TABLA 13
En la TABU\ 12 se pueden ver claramente las pruebas que se realizan para hacer
análisis reológicos a los asfaltos así como que determinan cada una de ellas y a
que norma están referida cada una de estas.
TABLA 12 PRUEBAS REALIZADAS PARA ANALISIS REOLOGICOS
PRUEBA
Viscosidad Rotacional
R Brookfield
Reómetro de Corte
Dinámico DSR
Envejecimiento en Película
Delgada Rotativa RTFOT
Envejecimiento en
Molde de Presión PAV
Ensayo de Tensión
Directa DTT
Reómetro de Flexión por
Viga de Apoyo BBR
DETERMINA
NORMA
Viscosidad a altas temperaturas
ASTM D-4402
G* y a altas y medias temperaturas
SHRP B-003
Envejecimiento a corto plazo
ASTM D-2872 AASHTO T-240
Envejecimiento a largo plazo
Deformación a la ruptura por tensión
a baja temperatura
SHRP B-005
AASHTO PP-1
SHRP B-006
AASHTO TP-7
S (t) y m a baja temperatura
SHRP B-002
AASHTO TP-1
AASHTO TP-5
93
5.7.3. R E S U L T A D O S
TABLA 13 RESULTADOS DE PRUEBAS DE ANALISIS REOLOGICAS DE LOS ASFALTOS
AC-20
AC-20
AC-20
PRUEBAS
METODO
AC-20
HULE DE
SBR
SBS
LLANTA
ASFALTO VI RGEN
AASHTO-T-48
Temperatura de inflamación,°C
316
320
308
296
ASTM-D-4402
V iscosidad Brookfield a135°C.cP.
1121.4
390
1182.4
1118.1
AASHTO-TP-5
Corte D inám ico
1.084
G*/sen 8
, Kpa
1.607
1.972
1.47
Temp. de prueba a 10 rad./seg., °C
64
76
76
76
ENVEJECIMIENTO POR PEL CULA DE LGADAEN MOVIMIENTO RTFOT
AASHTO-T-240
Perdidas de m asa, % peso
0.037
0.042
0.059
0.156
AASHTO-TP-5
Corte D inám ico
G*/sen 8
, Kpa
4.126
2.45
4.557
2.356
Temp. de prueba a 10 rad./seg., °C
64
r
82
82
76
ENVEJE CIMIENTO DEL RESIDUC RTFOT A PRESION (PAV)
Tem p. de envejecim iento (PAV),°C AASHTO-PP-1
AASHTO-TP-5
Corte D inám ico
3246
1696
1659
3957
G*(sen¿>), Kpa
Temp. de prueba a 10 rad./seg., °C
25
28
28
25
GRADOMAXIMO ALCANZADO, PG
64-22
76-34
76-34
76-34
ESPECIFICACION
AASHTO MP-1
230MIN.
3000MAX
1.0MIN
46/82
1.0MAX.
2.2MIN.
46/82
90/110
5000MAX.
4/40.
94
TABLA 14 COMPARACION DE LOS ASFALTOS GRADO VISCOSIDAD AC-20 EN EL SISTEMA SUPERPRAVE
PRUEBAS
METODO
REFINERIAS
CD.
SALAMANCA CADEREYTA
MADERO
ASFALTO VIRGEN
287
307
287
417
557
360
S.CRUZ
Temperatura de inflamación,°C
AASHTO-T-48
306
380
Viscosidad Brookfield a135°C.cP. ASTM-D-4402
Corte Dinámico
AASHTO-TP-5
1.29
1 23
1,05
1.12
G*/sen 8
, Kpa
64
Temp de prueba a 10 rad /seg , °C
64
64
64
ENVEJECIMIENTO POR PELICULA DELGADAEN MOVIMIENTO RTFOT
Perdidas de masa, % peso
AASHTO-T-240
0 449
0 449
0 228
0 097
Corte Dinámico
AASHTO-TP-5
3.93
2 76
46
4 07
G*/sen 8
, Kpa
Temp de prueba a 10 rad /seg , °C
64
64
64
64
ENVEJECIMIENTO DEL RESIDUO RTFOT A PRESION (PAV)
Temp. de envejecimiento (PAV),°C AASHTO-PP-1
100
100
100
100
Corte dinámico
AASHTO-TP-5
2172
3823
2615
2557
G*(sen¿'), Kpa
Temp. de prueba a 10 rad /seg., °C
22
25
25
25
Rigidez a la deformación.
AASHTO-TP-1
Bajo cargas (S),MPA
189
122
2396
120
Velocidad de deformación (m)
0 355
0.34
0 305
0.306
Temperatura de prueba a 60°C,°C
-18
-12
-12
-12
Tensión Directa
AASHTO -TP-3
**
**
**
Falla a la ruptura, %
★
★
**
**
Temp Prueba a 1,0 mm/min , °
C
GRADOMAXIMO ALCANZADO, PG
64-28
64-22
64-22
64-22
TULA
ESPECIFICACION
AASHTO MP-1
316
390
230MIN
3000MAX
1.01
64
1 0MIN
46/82
0,067
1 0MAX
4 12
64
2 2MIN.
46/82
100
90/110
2532
25
5000MAX
4/40.
144
0.296
-12
300MAX
0 3MAX
**
**
1 0MIN
64-16
95
T A B L A 15
ESPECIFICACIONES S H R P P A R A ASFALTICOS
PG 46
GRADO
-34
-40
PG 58
PG 52
-46
Promedio de 7 días Temp Max Pav
Temp De diseño °C
46
Temp Mm del pavimento temperatura
de diseño °C
-34
-40 -46
-10
-16
-22
-28
-34
-40
-46
-16 -22
^2
-10
-1
-2
-28
-28
PG 64
-34
-40
-lü
-16
-22
58
-3
-4
-4
-1
.i
-2
-28
PG 70
-34
-40
-10
64
-3
-4
-1
-i
70
-2
-2
-3
-4
-10
PG 76
PG 82
-16 -22-28 -34 -40 -10 -!6 -22-28 -34 -10 -16 -22 “28 -34
76
82
-1 -22 -28 -3 -4 -1 -16 -2 -2 -34 -1 -16 -2 -2 -34
Ligante original
P de inflamación AASHTO T48 mm,
°C
230
Viscosidad ASHTM 4402 Ma\ 3000 cP
Temp De ensa>o °C
135
Modulo Complejo TP5 G°/sin
Mm
1KPa temp De ensa\o a 10 rad/sec °C
46
52
64
58
70
76
82
70
76
82
100(110)
100 (.110)
100(110)
Indice de endurecimiento lisico h
Ensayo de película Fina Rotativa (AASHTO T-240, ASTM D-2872)
Peídidas por calentamiento Max %
1
Modulo Compleio TP5
G°/sm
Mm 2 2KPa
temp De ensayo a 10 rad/sec °C
46
>2
58
64
Envejecimiento Acelerado con Aire a Presión (PAV SHRP B-005)
Temperatura de enveiecinuento PAV °C
90
90
i00
100
Modulo Compleio TP5 G'Vsm , Max
5MPa temp De ensayo a IOrad/sec.°C
10
7
4
25
22
19
16
13
10
7
25
22
19
16
13
31
28
25
22
19
16
34
32 28 25 22 19 37 34 31 28 25 40 37 34 31 28
Creep StiftnessTPI S Max300MPa,
valor mm de m 0 30 Temp Ensayo a
6Osee°C
-24
-30
-36
0
-6
-12
-18
-24
-30
-36
-6
-12
-18
-24
-30
0
-6
-12
-18
-24
-30
0
-6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 0 -6 -12 -18 -24
Tensión Directa TP3 Deformación a
rotura Mm 1% 3 emp Cnsa\o a
Inim/min °C
-24
-30
-36
0
-6
-12
-18
-24
-30
-36
-6
-12
-18
-24
-30
0
-6
-12
-18
-24
-30
0
-6 -12 -18 -24 -30 0 -6 ■12 -18 -24 0 -6 -12 -18 -24
96
CONCLUSIONES
Se dispone de gran variedad de materiales y técnicas aplicables a la modificación
de los diversos tipos de asfaltos, por lo que el objetivo de este proyecto de
investigación es la modificación de los asfaltos en base a polímeros, lo cual
implica una mayor durabilidad, resistencia al medio ambiente y a la deformación,
para ello se realizaron varias pruebas experimentales que anteriormente se
utilizaban en la caracterización de los asfaltos entre estas destacan: la viscosidad,
penetración,
temperatura de
ablandamiento,
temperatura
de
inflamación,
ductilidad y solubilidad. Actualmente gracias al desarrollo tecnológico se realizan
pruebas viscoelásticas y reológicas, entre las cuales cabe mencionar: módulo de
corte dinámico DSR, envejecimiento RTFOT (a corto plazo), envejecimiento a
presión PAV (a largo plazo).
El asfalto usado en esta investigación fue el AC-20 debido a que es el de mayor
comercialización en México.
Las mezclas asfalto-polímero que se utilizaron en la experimentación son más
eficientes en
comparaciónconasfaltos convencionales debido a la adición de
polímero, las
temperaturas de diseño del asfalto modificado se encuentran por
encima del asfalto convencional. Las temperaturas de diseño se clasifican en
máximas y mínimas de acuerdo a las especificaciones SHRP (Straíegic Highway
Research Program) para asfaltos.
Las Máximas establecen la
temperatura de deformación del asfalto por
calentamiento y las mínimas establecen la temperatura de fractura o ruptura del
asfalto por enfriamiento a temperaturas inferiores a 0 °C.
De acuerdo a los resultados obtenidos en las pruebas que se realizaban
anteriormente a los asfaltos se tiene que las muestras asfalto-polímero de este
proyecto (AC-20/SBR, AC-20/SBS, AC-20/HULE DE LLANTA) se encuentran
dentro de la especificación ASTM D-3381 para asfaltos AC-20.
97
Estas pruebas no son suficientes para poder caracterizar a fondo los asfaltos
modificados ya que se requieren datos más específicos los cuales proporcionen
una visión más amplia de lo que esta sucediendo con ia mezcla, por tal motivo fue
necesario realizar las pruebas reológicas y viscoelásticas
para determinar las
condiciones necesarias para su mejor uso y apiicación.
Los resultados obtenidos en las pruebas reológicas son satisfactorios puesto que
al hacer una comparación entre las mezclas y el asfalto virgen obtenemos
diferentes grados PG (Performer Grade) de acuerdo al sistema superprave, en los
cuales el asfalto AC-20 tiene un grado PG 64-22, en tanto que el AC-20/SBR, AC20/SBS y ei AC-20/Hule de Llanta tienen un PG 76-34 el primer valor corresponde
a la temperatura máxima de diseño y el segundo valor a la temperatura mínima de
diseño.
Con esta investigación se determina que los asfaltos modificados con polímeros
tienen numerosas ventajas con respecto a un asfalto convencional, algunas de
estas ventajas son: disminuyen la susceptibilidad térmica, se obtienen mezclas
más rígidas a altas temperaturas de servicio reduciendo el ahuellamiento,
se
obtienen mezclas más flexibles a bajas temperaturas de servicio reduciendo el
fisuramiento, disminuye la exudación del asfalto: por la mayor viscosidad de la
mezcla, su menor tendencia a fluir y su mayor elasticidad, presentan mayor
elasticidad: debido a los polímeros de cadenas largas, Mayor adherencia: debido a
los polímeros de cadenas cortas, mayor cohesión: el polímero refuerza la cohesión
de la mezcla, mejora la compactación: por la acción lubricante del polímero o de
los aditivos incorporados para el mezclado, evitando la propagación de las fisuras,
mayor resistencia al envejecimiento: mantiene las propiedades del ligante, pues
los sitios más activos del asfalto son ocupados por el polímero, mayor durabilidad:
los ensayos de envejecimiento acelerado en laboratorio, demuestran su excelente
resistencia al cambio de sus propiedades características, mejora la vida útil de las
mezclas: menos trabajos de conservación, permiten mayor espesor de la película
de asfalto sobre el agregado, mayor resistencia al derrame de combustibles,
reduce el costo de mantenimiento, disminuye el nivel de ruidos, permite un mejor
98
sellado de las fisuras. Dadas las ventajas y los análisis reológicos del asfalto
modificado se concluye que se puede controlar la deformación de estos asfaltos
de acuerdo a las condiciones climatológicas del lugar.
Es evidente que la mayor desventaja de estos es el alto costo inicial del asfalto
modificado, sin embargo, se hace un análisis del costo a largo plazo (es decir, la
vida útil del pavimento); se puede concluir que el elevado costo inicial queda
sobradamente compensado por la reducción del mantenimiento futuro y el
alargamiento de la vida de servicio del pavimento.
99
ANEXOS
100
FIGURAS
Fig. 1 DIAGRAMA GENERAL DE PROCESO
Rg. 2 PLANTA DE DESTILACION ATMOSFERICA
Fig 3 PLANTA DE DESTILACION DE ALTO VACIO
Fig.4 PLANTA REDUCTORA DE VISCOSIDAD
Fig. 5 PLANTA HIDRODESINTEGRADORA DE RESIDUALES (H-OIL)
Fig. 6 PLANTA COQUIZADORA
Fig. 7 MUESTRA DE MEZCLA ASFÁLTICA CONVENCIONAL
Fig 8 MUESTRA DE MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA CON POLÍMEROS.
Fig. 9 FORMULA QUIMICA DEL SBR
Fig 10 FORMULA QUIMICA SBS
Fig. 11 CADENA DEL SBS EXTENDIDA
Fig 12 VISTA DE UNA MOLÉCULA DE SBS
Fig 13 ENSAYO DE PENETRACIÓN
Ftg 14 ENSAYO DE PUNTO DE INFLAMACIÓN "VASO ABIERTO CLEVELAND"
Fig. 15 ENSAYO DE DUCTILIDAD
Fig. 16 MEZCLA DEL ASFALTO Y EL AGREGADO PETREO
Fig. 17 REÓMETRO DE CORTE DINÁMICO DSR
Fig. 18 ENSAYO DE PELÍCULA DELGADA RODANTE EN HORNO
Fig 19 REÓMETRO DE FLEXIÓN BBR
Fig. 20 ENSAYO DE TENSION DIRECTA DTT
Pág.
16
20
22
26
30
38
57
57
61
63
64
64
67
68
71
75
83
84
86
86
TABLAS
TABLA
TABLA
TABLA
TABLA
TABLA
1
2
3
4
5
CARGAS A LA PLANTA H-OIL
CARACTERIZACION DE CRUDOS
CARACTERISTICAS DE MEZCLAS DE ACEITES CRUDOS
DEMANDA REGIONAL DE ASFALTO PRODUCIDO POR PEMEX
CORRIENTES DE LA REFINACION DEL PETROLEO QUE
INTERVIENEN EN LA FORMULACION DE ASFALTOS
TABLA 6 FUENTES DE PROCEDENCIA DE LAS CORRIENTES UTILIZADAS
EN LA FORMULACION DE ASFALTOS.
TABLA 7 CARACTERIZACION DE LOS ASFALTOS GRADO VISCOSIDAD AC-20
TABLA 8 ESPECIFICACIONES PARA ASFALTOS GRADO VISCOSIDAD AC
DEL ASTM D-3381
TABLA 9 CLASIFICACION DE POLIMEROS
TABLA 10 CLASIFICACION DE MATERIAL PETREO
POR SU CONTENIDO DE SILICE
TABLA 11 CARACTERIZACIÓN DE ASFALTOS MODIFICADOS
TABLA 12 PRUEBAS REALIZADAS PARA ANALISIS REOLOGICOS
TABLA 13 RESULTADOS DE PRUEBAS DE ANALISIS REOLOGICAS
DE LOS ASFALTOS
TABLA 14 COMPARACION DE LOS ASFALTOS GRADO VISCOSIDAD
AC-20 EN EL SISTEMA SUPERPRAVE
TABLA 15 ESPECIFICACIONES SHRP PARA ASFALTICOS
29
40
40
41
42
43
45
48
51
75
89
93
94
95
96
GRAFICAS
Grafica 1 RELACION VISCOSIDAD /TEMPERATURA ENTRE ASFALTOS BLANDOS Y
DUROS
51
Grafica 2 RELACION TEMPERATURA VISCOSIDAD ENTRE ASFALTOS MODIFICADOS Y
CONVENCIONALES
54
Grafica 3 RELACIÓN TENSIÓN /FATIGA DEL ASFALTO DE ASFALTOS
MODIFICADOS Y CONVENCIONALES
58
101
GLOSARIO
A dhesividad - unión permanente en la mayoría de las superficies.
Aglom erante.- Material que al enfriarse genera fuerzas capaces de unir a otros
materiales dando como resultado una piedra artificial aglomerada capaz de unir
fragmentos de una o varias sustancias y dar cohesión al conjunto por métodos
exclusivamente físicos.
Aglutinante.- sustancia que sirva para reunirse o adherirse a otra
A gregado Pétreo.- Árido compuesto de partículas duras, de forma y tamaño
estables.
A huellam iento (pavimento flexible).- Depresión longitudinal del pavimento que
coincide con la zona donde pasan con mayor frecuencia las ruedas de los
vehículos (huella).
Arcilla.- Suelo de granos finos (compuesto por partículas menores a 5 micrones),
que posee alta plasticidad dentro de ciertos límites de contenido de humedad y
que, secado al aire, adquiere una resistencia importante.
Arena.- Material resultante de la desintegración, molienda o trituración de la roca,
cuyas partículas pasan por el tamiz de 5 mm y son retenidas por el de 0,08 mm.
Arom áticos - compuestos cuyas moléculas son cíclicas y poseen electrones
deslocalizados. Se pueden representar como si tuvieran anlaces dobles y sencillos
alternados entre los átomos de carbono.
Asfalto.- El asfalto es un material ligante de color marrón oscuro a negro,
constituido principalmente por betunes que pueden ser naturales u obtenidos por
refinación del petróleo. El asfalto se presenta en proporciones variables en los
petróleos crudos.
102
Asfalto Modificado.- Materia! que se obtiene al modificar un cemento asfáltico
con un polímero, resultando un ligante de características reológicas mejoradas.
Bache.- Hoyos de diversos tamaños que se producen en la superficie de rodadura
por desintegración local.
Betún.- Sinónimo del asfalto natural, nombre genérico de varias sustancias
compuestas de carbono e hidrógeno que se encuentran en la naturaleza y arden
con llama, producen un humo espeso y tienen un olor peculiar, término que agrupa
los productos naturales (derivados de la materia orgánica) cuyas deferencias se
basan en la composición química y la capacidad de disolución.
Cemento Asfáltico.- Materia! obtenido por refinación de residuos de petróleo y
que debe satisfacer los requerimientos establecidos para su uso en
!a
construcción de pavimentos.
C ohesividad (suelo).- Fuerza de unión entre las partículas de un suelo, cuya
magnitud depende de la naturaleza y estructura del mismo. En los suelos
cohesivos la estructura depende de! contenido de minerales arcillosos presentes y
de las fuerzas que actúan entre ellos.
Combustóleo.- Es un combustible elaborado a partir de productos residuales
obtenidos de procesos de refinación del petróleo crudo. Es un aceite altamente
viscoso, empleado principalmente en combustión industrial para lo cual requiere
un buen precalentamiento. También se emplea en plantas de generación de
energía eléctrica.
Com puestos heterocíclicos o heterociclos son compuestos cíclicos en los que
hay al menos un átomo distinto de carbono formando parte del ciclo. Los átomos
distintos de carbono presentes en el ciclo se denominan hetereoátomos.
Corrosión.- Es la interacción de un metal con el medio que lo rodea, produciendo
el consiguiente deterioro en sus propiedades tanto físicas como químicas.
103
Cut-back.- reducción
Deflexión (suelos).- El descenso vertical de una superficie debido a la aplicación
de una carga sobre ella.
Desem ulsificante.- Son mezclas a base de derivados no iónicos y de un solvente
petrolero, se utilizan para romper las emulsiones aceites / agua en la producción
petrolera, el refinado o en cualquier aplicación en la cual se presente una emulsión
estable.
Efluente.- Se le denomina a la salida flujos de cualquier sistema que despacha
flujos de agua, a un tanque de oxidación, a un tanque para un proceso de
depuración biológica del agua, etc. Este es el agua producto dada por el sistema.
Elastómero.- Material natural o artificial que, como el caucho, tiene gran
elasticidad. Se utiliza para mejorar las características reológicas de los asfaltos.
E m u lsión Asfáltica.- Dispersión por medios mecánicos de asfalto en agua, a la
cual se incorpora un emulsificador (producto necesario para la preparación de una
emulsión y para mantener estable la dispersión).
Em ulsificación.- es e! acto de homogeneizar los aceites y grasas en partículas
pequeñas, y dispersándolas aún en agua.
Eyectores.- Son dispositivos usados para inyectar soluciones químicas dentro de
un agua residual durante el tratamiento del agua
Fatiga.- deformación acumulada.
Filler.- relleno
Fotodegradación.- es la degradación provocada por los rayos ultravioleta.
Gasóleo.- El gasóleo, también denominado gasoil o diesel, es un líquido de color
blancuzco o verdoso y de densidad sobre 850 kilogramos por metro cúbico,
104
compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como
combustible en motores diesel y en calefacción. Es una fracción destilada del
petróleo crudo que se purifica esencialmente para eliminar ei azufre.
Granulometría.- Distribución porcentual en masa de los distintos tamaños de
partículas que constituyen un árido, determinada de acuerdo con Método
normalizado
Agregados
Pétreos:
Método
para
tamizar
y determinar
la
granulometría.
Ligante Asfáltico.- Cemento basado en asfalto producido a partir de residuos de
petróleo, ya sea con o sin adición de modificadores orgánicos no articulados.
Nafténica.- contienen exactamente el doble de átomos de hidrogeno que de
carbono.
Parafinicos.- esta compuesto por moléculas en las que el numero de átomos de
hidrogeno es siempre superior al doble de numero de átomos de carbono.
Partículas coloidales.-
tienen un tamaño diminuto, tanto que no pueden
separarse de una fase dispersante por filtración
Pavimento Asfáltico.- Pavimento flexible compuesto por una o más capas de
mezclas asfálticas que pueden o no apoyarse sobre una base granular y una subbase.
Pavimento.-
Estructura
formada
por
una
o
más
capas
de
materiales
seleccionados y eventualmente tratados, que se colocan sobre la subrasante con
el objetivo de proveer una superficie de rodadura adecuada y segura bajo
diferentes condiciones ambientales y que soporta las solicitaciones que impone el
tránsito.
Pétreo.- Ver Agregado Pétreo
105
Polímero.- Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de
moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de
las formas más diversas.
Rack.- es un bastidor destinado a alojar equipos.
Reología.- Estudio de la deformación y flujo de la materia en términos de tensión,
deformación, temperatura y tiempo.
Superprave.- Pavimento asfáltico diseñado según los procedimientos y ensayos
originados en el programa de investigación denominado SHRP.
Textura (pavimentos).- El aspecto o característica de la superficie del pavimento
que depende del tamaño, forma, disposición y distribución del árido y deí agente
ligante. Una mezcla densa que da una superficie suave tendrá una textura fina;
una superficie abierta tendrá una textura gruesa. Las irregularidades de la
superficie, tales como baches, escalonamientos de juntas y otras, no definen la
textura, la que se encuentra relacionada con irregularidades de longitudes de onda
inferiores que 50 mm.
Viscosidad.- La viscosidad es la principal característica de la mayoría de los
productos lubricantes. Es la medida de la fluidez a determinadas temperaturas.
106
BIBLIOGRAFIA
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