Modificación de Asfaltos para Mezclas Tibias

MEZCLAS TIBIAS: UNA NUEVA TECNOLOGÍA PARA EL MEJORAMIENTO DE
LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS CONVENCIONALES.

Presentado por:
EDINSON GIOVANNI TORRES VELANDIA
ANDREY JOHANNY NOREÑA CIFUENTES

Presentado a:
Ing. DAVID GONZÁLEZ

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
ESP. GEOTECNIA VIAL Y PAVIMENTOS
FACULTAD DE INGENIERÍA
MATERIALES
BOGOTÁ, 2012

TABLA DE CONTENIDO

1 RESUMEN ....................................................................................................... 5
2 ABSTRACT ...................................................................................................... 6
3 ANTECEDENTES ............................................................................................ 7
4 DEFINICIÓN DEL TEMA.................................................................................. 8
5 OBJETIVO ....................................................................................................... 9
5.1 Objetivo General ....................................................................................... 9
5.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 9
6 ALCANCE ...................................................................................................... 10
7 METODOLOGÍA ............................................................................................ 11
8 MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 12
8.1 PRELIMINARES MEZCLAS ASFALTICAS TIBIAS (MAT) ..................... 12
8.1.1 ANTECEDENTES.............................................................................. 12
8.1.2 DEFINICIÓN ...................................................................................... 13
8.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU TÉCNICA DE TRABAJABILIDAD ........... 15
8.2.1 ADITIVOS ORGÁNICOS (USO DE CERAS) ..................................... 16
8.2.1.1 Definición .................................................................................... 16
8.2.1.2 Tipos de Ceras ............................................................................ 16
8.2.1.2.1 Ceras Fischer-Tropsch .......................................................... 16
8.2.1.2.2 Amidas amidas acidas grasas ............................................... 16
8.2.1.2.3 Ceras de Montana ................................................................. 17
8.2.1.3 Productos Comerciales ............................................................... 17
8.2.1.3.1 Sasobit ................................................................................... 17
8.2.1.3.2 Asphaltan ............................................................................... 18
8.2.1.3.3 Licomont BS .......................................................................... 18
8.2.2 ADITIVOS QUÍMICOS ....................................................................... 19
8.2.2.1 Definición .................................................................................... 19
8.2.2.2 Tipos de Aditivos Químicos ......................................................... 19
8.2.2.2.1 Emulsificantes ........................................................................ 19
8.2.2.2.2 Tensoactivos .......................................................................... 20
8.2.2.3 Productos Comerciales ............................................................... 20
8.2.2.3.1 Evotherm ............................................................................... 20
8.2.2.3.2 Cecabase RT ......................................................................... 22
8.2.2.3.3 Rediset WMX ......................................................................... 23

1

8.2.3 PROCESOS DE ESPUMACIÓN ....................................................... 24
8.2.3.1 Definición .................................................................................... 24
8.2.3.2 Tipos del proceso de espumación ............................................... 24
8.2.3.2.1 Método Indirecto: Zeolita ....................................................... 24
8.2.3.2.2 Productos Comerciales .......................................................... 26
8.2.3.2.2.1 Aspha-Min ....................................................................... 26
8.2.3.2.2.2 Advera ............................................................................. 27
8.3 CASOS DE INVESTIGACIÓN ................................................................ 28
8.3.1 Reología del asfalto modificado para su uso en mezclas tibias ......... 28
8.3.2 Viscosidad (Viscosímetro Rotacional) ............................................... 28
8.3.2.1 Cera Fischer-Tropsch ................................................................. 29
8.3.2.2 Ceras amidas acidas fatty ........................................................... 30
8.3.2.3 Aditivos Tensoactivos ................................................................. 30
8.3.2.4 Zeolita sintética ........................................................................... 31
8.3.3 DRS (Reómetro Dinámico de Corte) ................................................. 31
8.3.3.1 Efecto de las ceras Fischer-Tropsch sobre las propiedades
viscoelásticas del ligante. ........................................................................... 33
8.3.3.2 Efecto de los aditivos tensoactivos sobre las propiedades
viscoelásticas del ligante. ........................................................................... 33
8.3.3.3 Efecto de la zeolita sintética sobre las propiedades viscoelásticas
del ligante. .................................................................................................. 34
8.3.4 Viscosidad a Corte Cero (Zero Shear Viscosity – ZSV)..................... 35
8.3.4.1 Metodologías de Trabajo............................................................. 35
8.3.5 Estudios desarrollados en Colombia ................................................. 40
8.3.5.1 Diseño y producción de mezclas asfálticas tibias, a partir de la
mezcla de asfalto y aceite crudo de palma (elaeis guineensis) Por Conrado
Hernando Lopera Palacio ........................................................................... 40
8.3.5.2 Estructura interna de mezclas asfálticas tibias compactadas en
laboratorio Por Allex Álvarez, Juan Carvajal y Oscar Reyes. ..................... 43
9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 45
9.1 CONCLUSIONES ................................................................................... 45
9.2 RECOMENDACIONES ........................................................................... 45
10 BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA ................................................................. 47

2

Lista de Figuras

Figura 1 Comparación de las diferentes tecnologías para la elaboración de
mezclas asfálticas vs. litros de combustible utilizado y kilogramos de CO2 emitidos
al ambiente. ........................................................................................................... 14
Figura 2 Comparación en la descarga de mezclas asfálticas: a la izquierda una
Mezcla en Caliente y a la derecha una Mezcla Tibia ........................................... 14
Figura 3 Izquierda: extendido de mezcla en caliente. Derecha: extendido de
mezcla tibia ........................................................................................................... 15
Figura 4 Esquema de las distintas tecnologías para mezclas tibias..................... 15
Figura 5 Viscosidad del ligante asfáltico vs. ligante asfáltico modificado con aditivo
orgánico ................................................................................................................ 16
Figura 6 Presentación Sasobit; izquierda: pastilla (granulo) de diámetro 4 mm,
derecha polvo de diámetro 1 mm .......................................................................... 17
Figura 7 Versatilidad para la adición de Sasobit .................................................. 18
Figura 8 Equipo desarrollado por Hi-Tech Solutions diseñado específicamente
para manejar el Sasobit ........................................................................................ 18
Figura 9 Mejora del ángulo de contacto mediante el uso de tensoactivos ........... 20
Figura 10 Instalación de Mezcla tibia con Evotherm 3G ...................................... 20
Figura 11 Estudio en microscopio electrónico mezcla con Cecabase RT ............ 22
Figura 12 Presentación del Rediset WMX ............................................................ 23
Figura 13 Zeolita Natural ...................................................................................... 24
Figura 14 Zeolita: Estructura Molecular ................................................................ 25
Figura 15 Presentación aspha-min....................................................................... 26
Figura 16 Equipos para la Dosificación Aspha-min .............................................. 27
Figura 17 Presentación Advera en polvo ............................................................. 27
Figura 18 Equipos recomendados por el productor para la dosificación de Advera.
Izquierda: Advera Injector System. Derecha: Krendl KP1000 Feeder Machine and
WMA (Warm Mix Asphalt) ..................................................................................... 28
Figura 19 Comparativo de la viscosidad de un ligante asfáltico 64-22, modificado
con distintos aditivos utilizados para la producción de mezclas tibias, todos
dosificados al 3% del peso del ligante. En azul viscosidad cinemática, en verde
porcentaje de......................................................................................................... 29
Figura 20 Medida de la viscosidad a diferentes temperaturas, mediante el
viscosímetro rotacional, de un ligante asfáltico 60-70, aditivado con 1, 3 y 6% de
Sasobit .................................................................................................................. 30
Figura 21 Medida de la viscosidad a diferentes temperaturas, de un ligante
asfáltico 50-70, con dos tipos de aditivos tensoactivos ......................................... 31
Figura 22 Reómetro dinámico de corte y comportamiento esfuerzo-deformación
en un ensayo oscilatorio ........................................................................................ 32
Figura 23 Módulo complejo (G*)y ángulo de fase (δ) en función de la frecuencia
de carga (izquierda) y en función de la temperatura (derecha). ............................ 32
Figura 24 Efecto de la adición de Sasobit en G* y δ en las diferentes fases de vida
del asfalto: a) Original, b) RTOF y C) PAV. Ensayo realizado con una frecuencia
de 10 rad/s ............................................................................................................ 33

3

Figura 25 Efecto de la adición de dos tipos de ceras orgánicas y dos tipos de
aditivos tensoactivos en un ligante asfáltico 50 – 70. Ensayo realizado con una
frecuencia de 10 rad/s ........................................................................................... 34
Figura 26 Efecto de la adición de Asphamin GHP, en un ligante asfáltico PG 64-
22. Ensayo realizado a una temperatura de 25 °C ................................................ 34
Figura 27 Valores de ZSV calculados para 5 tipos diferentes de asflatos
modificados con los aditivos estudiados, mediante un ensayo de barrido de
frecuencia. ............................................................................................................. 36
Figura 28 Módulo de elástico y módulo viscoso, medidos a partir de un ensayo de
barrido de frecuencias. .......................................................................................... 36
Figura 29 Curva de viscosidad a diferentes velocidades de aplicación del esfuerzo
cortante. ................................................................................................................ 37
Figura 30 Modelo de Burger. ................................................................................ 38
modificados con los aditivos estudiados, mediante un ensayo de fluencia (creep)
modelado mediante el modelo de Burger .............................................................. 38
Figura 32 Respuesta de un ligante ensayado en creep, con dos tipos de aditivos
utilizados para mezclas tibias. ............................................................................... 39
Figura 33 Comparación entre un ciclo de carga y descarga sobre un asfalto en el
DSR y la acción del tránsito sobre la mezcla. ....................................................... 39
modificados con los aditivos estudiados, mediante un ensayo de fluencia (creep)
repetitivo modelado mediante el modelo de Burger. ............................................. 40
Figura 35 Respuesta de un ligante ensayado en creep repetitivo, con dos tipos de
aditivos utilizados para mezclas tibias ................................................................... 40
Figura 36 Ensayo de Viscosidad Asfalto Base ..................................................... 41
Figura 37 Curva reológica Asfalto Base ............................................................... 41
Figura 38 Variación de la viscosidad con adiciones de aceite Dismaprim ........... 42
Figura 39 Curvas de viscosidad con adición de aceite Dismaprim ....................... 42
Figura 40 Cuadro comparativo de desempeño .................................................... 43
Figura 41 Distribución vertical de contenido total de vacíos para los especímenes
SGC (control-HMA y WMA) ................................................................................... 44
Figura 42 Distribución vertical de contenido total de vacíos para los especímenes
TxGC (control-HMA y WMA) ................................................................................. 44

4

1 RESUMEN

El aumento de la conciencia ambiental y una regulación más estricta sobre las emisiones
atmosféricas en los procesos de producción industriales, han tomado parte importante del
desarrollo tecnológico en la pavimentación de carreteras con mezclas asfálticas. Dicha
preocupación conlleva a la necesidad de disminuir la energía que consume los procesos
de mezclado y puesta en sitio de las mezclas asfálticas en caliente, todo con el objetivo
de disminuir los gases de efecto invernadero que emiten los equipos utilizados dentro de
los mencionados procesos. Lo anterior se logra disminuyendo las temperaturas a las
cuales el ligante asfáltico tiene la trabajabilidad suficiente para efectuar el mezclado con
los agregados y la compactación de la mezcla en el sitio de la pavimentación.

Con esta premisa, productores y comerciantes de aditivos químicos han ido presentando
diversos productos para la mejora en la trabajabilidad del ligante asfáltico a menores
temperaturas de calentamiento. Estos se basan en dos principios fundamentales
relacionados con la modificación de propiedades del material; el primero es reducir la
viscosidad del asfalto para facilitar la envuelta de los agregados y el segundo reducir la
tensión superficial árido-bitumen, disminuyendo el ángulo de contacto entre el ligante y el
árido.

Para la reducción de la viscosidad del ligante existen tres tecnologías disponibles y
ampliamente utilizadas en Alemania y Estados Unidos de América, principalmente; las
ceras orgánicas, los aditivos químicos emulsificantes y los procesos de espumado.

Para la reducción de la tensión superficial árido-bitumen la técnica se realiza mediante el
uso de aditivos químicos tensoactivos.

Por lo anterior, se hace imperativo estudiar la forma como los mencionados aditivos
modifican las propiedades viscoelásticas del ligante modificado, mediante la medición de
las propiedades reologicas del material. Al respecto, diversas investigaciones han sido
desarrolladas en varias partes del mundo, todas buscando los mejores parámetros que
permitan asociar las propiedades del ligante con el desempeño de la mezcla en sitio.

Por otra parte, en Colombia, ya se inició la etapa de documentación e investigación, por
parte de los ingenieros especialistas en la materia, para la implementación de esta
tecnología. Al respecto, igualmente se presentan dos trabajos relacionados con este
tema.

5

2 ABSTRACT

Increased environmental awareness and stricter regulations on CO2-emissions in industrial
production processes, have taken important part of technological development in road
paving with asphalt mixtures. This concern leads the need to reduce the energy consumed
by hot mix asphalt mixing and laying processes, in order to reduce fumes emitted by
equipment used in these processes. This is accomplished by decreasing the temperature
at which the asphalt binder has the adequate workability during mixing and compacting
process.

To achieve that goal, producers and traders of chemical additives have been presenting
several products to improve the workability of the asphalt binder at lower heating
temperatures. These are based on two fundamental principles related to the modification
of material properties: the first one is to reduce the viscosity of the asphalt, by adding
organic and mineral additives, to make easy the wrap of aggregate, and the second is to
promote the wetting of the aggregate surfaces by the binder, improving of the
adhesiveness of a binder on the aggregate.

To reduce the viscosity of the binder are three technologies available and widely used in
Germany and the United States of America: organic waxes, emulsifiers and foaming
processes.

The improving of the adhesiveness of a binder on the aggregate is performed by using
chemical surfactants additives.

Therefore, it becomes imperative to study how those additives modify the viscoelastic
properties of the binder by the rheology measurement of the material. In this regard,
several studies have been developed by worldwide investigators, searching the binder
properties that can explain the performance of the in place mixture.

Furthermore, hear in Colombia has begun the documentation and research phase, by
experts engineers, to implement this technology. In this document, there is presented two
papers related to this topic made in Colombia.

6

3 ANTECEDENTES

Aún hoy en día, como desde sus inicios, el asfalto en sus diferentes formas de aplicación,
mantiene el liderazgo como alternativa válida en todos los campos de su utilización. Es
por esto, que siguiendo con el desarrollo y ampliación del tema de mezclas asfálticas
dentro del marco de la asignatura de materiales para la especialización en geotecnia vial y
pavimentos, se desarrolla este trabajo con la intención de proporcionar un apoyo
informativo para profundizar los temas estudiados en clase y complementar nuestra
formación académica. En este sentido, se expone en este documento de manera práctica
una de las tecnologías actuales para las mezclas asfálticas denominada: Mezcla Tibia.

7

4 DEFINICIÓN DEL TEMA

Este trabajo consiste en la recopilación de información relacionada con la nueva
tecnología de Mezclas Tibias, el principio, definición, productos y casos de estudio.

8

5 OBJETIVO

5.1 Objetivo General

Recopilar y clasificar información actualizada acerca del desarrollo de la tecnología de
producción, puesta en obra y desempeño de Mezclas Tibias en el mundo, tomadas desde
las experiencias académicas de investigadores y comerciantes; con las cuales se pueda
tener una base para tomar decisiones relacionada con la implementación acertada de las
mismas.

5.2 Objetivos Específicos

 Filtrar y organizar la información que se ha recopilado para el desarrollo del
trabajo.

 Exponer experiencias académicas de investigadores y comerciantes, con los
respectivos resultados.

 Verificar los parámetros sobre los que se puede evaluar el desempeño de una
mezcla asfáltica tibia, durante el periodo de servicio.

 Revisar las investigaciones realizadas en el país, referidas al tema de mezclas
asfálticas tibias.

 Generar una presentación meramente referencial acerca de la tecnología de
mezclas tibias.

9

6 ALCANCE

El presente documento es una recopilación de información relacionada con las distintas
metodologías implementadas en el mundo para la producción y puesta en sitio de
mezclas asfálticas tibias. En consecuencia, este informe meramente referencial, ya que su
contenido no ha sido corroborado mediante la realización de ensayos de laboratorio o en
campo.

10

7 METODOLOGÍA

Este informe se apoyó en un tipo de investigación básica, es decir, en una investigación
que permite basar el proyecto en conocimientos reales y verídicos.

En una primera etapa, se recopiló información a través de consultas bibliográficas y en
Internet acerca de las mezclas tibias tanto a nivel nacional como internacional, para luego
seleccionar las más adecuadas para dar a conocer a título informativo.

Una vez seleccionadas las fuentes de referencia, damos definiciones y clasificaciones de
las mezclas tibias de acuerdo a su técnica de trabajabilidad apoyados en casos de
investigación.

Finalmente, con esta información se conforma el informe y la presentación al
cumplimiento de los objetivos propuestos y las particularidades encontradas en el
desarrollo de búsqueda de información.

11

8 MARCO TEÓRICO

La identificación de la información fue un proceso minucioso, que permitió finalmente
enfocar el trabajo en la investigación dirigida al desempeño de mezclas con el uso de
modificadores y la comparación de las mismas respecto a las mezclas convencionales. A
continuación el lector podrá encontrar lo referente a las mezclas en temperaturas bajas o
vulgarmente tibias.

8.1 PRELIMINARES MEZCLAS ASFALTICAS TIBIAS (MAT)

8.1.1 ANTECEDENTES

Constantemente salen al mercado nuevos productos y procesos que buscan mejorar el
impacto ambiental que produce la construcción de carreteras, en aras de generar
mecanismos de construcción de vías, con mínimos impactos ambientales, y que
consoliden una industria ―verde (Lopera, 2011).

En los últimos años a nivel mundial se observa cómo ha aumentado la presión ejercida
sobre la protección medioambiental, especialmente en lo concerniente a las carreteras.
Frente a estos nuevos requisitos, la industria de la construcción ha lanzado nuevas
iniciativas que apuestan al desarrollo de técnicas y productos que limitan el impacto de la
construcción de carreteras sobre el medio ambiente.

El desarrollo de esta tecnología con enfoque en la reducción de temperatura de mezcla y
compactación empezó en 1997, para cumplir con el Protocolo de Kyoto. La alternativa
también facilita el trabajo de pavimentación en los países en los que el invierno es muy
riguroso, una vez que la mezcla tibia enfría más lentamente que la mezcla en caliente.
(Lopera, 2011).

Recientemente la industria de la construcción, se ha enfocado en la reducción de las
temperaturas en la producción y aplicación de las mezclas asfálticas. Típicamente la
producción y aplicación de mezclas en caliente requiere que los materiales se calienten
entre 135°C y 180°C. (Lopera, 2011).

Las mezclas tibias se describen como aquellas que se producen a temperaturas menores
que las mezclas en caliente, es decir entre 100°C y 135°C , su producción involucra
nuevas tecnologías a partir de los cuales es posible producir y colocar los concretos
asfálticos a temperaturas sensiblemente inferiores a las técnicas convencionales.
(Lopera, 2011).

Cualquiera sea el sistema empleado las condiciones que deben cumplir son: que no
afecte adversamente al ligante asfáltico, y que permita obtener una mezcla asfáltica de
similares o superiores propiedades que una convencional. Simultáneamente debe permitir
un buen recubrimiento de partículas minerales por medio del asfalto a menores
temperaturas que las convencionales. (Bolzan, 2010).

No todas son ventajas, el costo de una mezcla tibia a lo largo del ciclo de vida de la
misma debe ser menor o igual que una mezcla convencional, sino no tendrá sentido su

12

uso. El secado de los agregados puede limitar el uso de menores temperaturas bajo
ciertas circunstancias. (Bolzan, 2010).

El futuro de los ligantes especiales se orienta hacia una mayor utilización de mezclas
tibias de menor costo respecto a la convencional, mayor compatibilidad con el pétreo y
conservando las propiedades fundamentales. (Jair, 2012).

8.1.2 DEFINICIÓN

El incremento de la conciencia ambiental frente a los gases del efecto invernadero, una
regulación más estricta de las emisiones atmosféricas generó la iniciativa para desarrollar
las mezclas asfálticas tibias (MAT ó Warm Mix Asphalt, WMA).

El término Mezcla Asfáltica Tibia hace referencia a la variedad de tecnologías que
permiten bajar las temperaturas de trabajo de las mezclas asfálticas en caliente, tanto en
su etapa de producción en planta como en la etapa de extendido y compactación en la
vía. El uso de la tecnología de mezcla asfáltica tibia permite bajar las temperaturas de
producción y compactación entre 20 y 50 °C.

La reducción de las temperaturas de fabricación y colocación de las mezclas asfálticas se
traduce en una serie de ventajas tales como la disminución del consumo de energía y de
emisiones en la planta asfáltica, el incremento de las distancias de transporte de la
mezcla, el aumento de los tiempos de colocación y mejoras en la trabajabilidad y
compactibilidad. Esta reducción debe ir acompañada del logro de una calidad adecuada
de las mezclas procesadas a menores temperaturas. (Agnusdei, 2010).

Comparado con la tecnología tradicional para mezclas asfálticas en caliente, presenta las
siguientes ventajas:

 Reduce la cantidad de energía utilizada para el mezclado, lo cual reduce el
consumo de combustible en la planta y, en consecuencia, los costos del proyecto.

 Menor envejecimiento del ligante asfáltico durante la producción de mezcla, debido
a que al reducir las temperaturas de mezclado se reduce el fenómeno de
oxidación, lo cual incrementa la vida del asfalto.

 Reducción de la pérdida de los hidrocarburos aromáticos, durante los procesos de
mezclado y compactación.

 Los mismos mecanismos que permiten mejorar la trabajabilidad a menores
temperaturas también les permiten actuar como agentes de compactación. Las
densidades conseguidas in situ tienden a reducir la permeabilidad de la mezcla,
logrando una mejora de la resistencia a la fisura por fatiga y resistencia a la
humedad.

 Dado que las mezclas pueden ser compactadas a menores temperaturas, se
dispone de más tiempo para llevar a cabo la compactación.

 La menor diferencia de temperatura entre la temperatura de mezclado y ambiente
da lugar a ratas menores de enfriamiento, lo cual puede ser beneficioso para la

13

pavimentación en climas fríos o largos recorridos de transporte hasta el sitio de
pavimentación.

 Apertura al tráfico más rápida.

 Reducción de entre 30% y 50% de la emisión de gases de efecto invernadero:
CO2, NOx, SO2, CO, VOC, polvo y volátiles.

 Disminución de la temperatura y emisión de vapores durante la compactación, lo
cual hace la actividad más segura y confortable para los trabajadores.

Figura 1 Comparación de las diferentes tecnologías para la elaboración de mezclas asfálticas vs.
litros de combustible utilizado y kilogramos de CO2 emitidos al ambiente.

Fuente: (Ulloa, 2011)

Figura 2 Comparación en la descarga de mezclas asfálticas: a la izquierda una Mezcla en Caliente y a
la derecha una Mezcla Tibia


14

Figura 3 Izquierda: extendido de mezcla en caliente. Derecha: extendido de mezcla tibia

Fuente: (Advera, 2012)

8.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU TÉCNICA DE TRABAJABILIDAD

Las diferentes técnicas para lograr la trabajabilidad de la mezcla necesaria para elaborar y
poner la mezcla con menores temperaturas se separan en las siguientes categorías
presentadas en la Figura 4:

Figura 4 Esquema de las distintas tecnologías para mezclas tibias

Ceras Fischer -
Trosch
Aditivos
Orgánicos Ceras Montana

Ceras de Amidas
MEZCLAS Ácida Grasas
TIBIAS
Aditivos Emulsificantes
Químicos
Tensoactivos

Proceso de Indirecto
Espumación
Directo

Fuente: (Labic, 2012)

15

8.2.1 ADITIVOS ORGÁNICOS (USO DE CERAS)

8.2.1.1 Definición

Esta tecnología se basa en la adición a la mezcla de distintos tipos de ceras, que mejoran
la trabajabilidad del ligante debido a una combinación de efectos de disminución de la
viscosidad y lubricación, tanto en las temperaturas de mezcla, como de compactación.

Por encima del punto de fusión de las ceras, se produce un decrecimiento de la
viscosidad del ligante. Durante el periodo de enfriamiento de la mezcla extendida los
aditivos se solidifican en partículas microscópicas y uniformemente distribuidas que
incrementan la dureza del ligante.

Las ceras usadas son moléculas formadas por cadenas hidrocarbonadas que se funden a
temperaturas entre los 80 y los 120 °C, modificando las propiedades del ligante. El punto
de fusión depende en gran medida de la longitud de la cadena de carbonos (C45 o mayor).
Se dosifican habitualmente entre un 2 y 4% de cera del total de la masa del ligante.

Figura 5 Viscosidad del ligante asfáltico vs. ligante asfáltico modificado con aditivo orgánico


8.2.1.2 Tipos de Ceras

Actualmente, existen tres tipos de ceras utilizadas para conseguir la reducción de la
viscosidad:

8.2.1.2.1 Ceras Fischer-Tropsch
Obtenidas a partir un proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos a
partir de gas de síntesis, el cual es un combustible gaseoso obtenido a partir de
sustancias ricas en carbono (hulla, carbón, coque, nafta, biomasa) sometidas a un
proceso químico a alta temperatura. Contiene cantidades variables de monóxido de
carbono (CO) e hidrógeno (H2).

8.2.1.2.2 Amidas amidas acidas grasas
Las ceras conocidas como amidas ácidas grasas se caracterizan por ser producidas
sintéticamente mediante la reacción de amidas con grasas ácidas. Una amida es un
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compuesto orgánico que consiste en una amina unida a un ácido carboxílico
convirtiéndose en una amina ácida (o amida).

8.2.1.2.3 Ceras de Montana
La cera Montana es también conocida como la cera de lignito o la cera OP. Es una cera
dura obtenida por extracción con disolventes de determinados tipos de lignito o carbón
pardo. Hay muy pocos yacimientos comercialmente, entre ellos en Alemania, y en la
cuenca del Ione, California.

8.2.1.3 Productos Comerciales

8.2.1.3.1 Sasobit
Sasobit es una cera cristalina, compuesta por una larga cadena de hidrocarburos
polimétileno-alifáticos, obtenida mediante un proceso Fischer‐Tropsch, que se
comercializa en forma de polvo blanco o granulada. Los rangos de longitud de la cadena
de carbonos se encuentran entre C45 y C100.

Sasobit es idéntico a las parafinas encontradas en el crudo de petróleo, excepto que tiene
mayor peso molecular. Una vez disuelto en el asfalto no se separará durante el
almacenamiento.

Su punto de fusión está alrededor de los 120°C. Sus principales características, es a altas
temperaturas su viscosidad disminuye enormemente, mientras que a bajas temperaturas
su viscosidad es alta. Cuando se enfría la cristalización comienza a los 105˚C y se
completa a los 65˚C, formando unas partículas microscópicas regularmente distribuidas.
Estas características hacen disminuir las temperaturas de mezclado y puesta en sitio de la
mezcla. Adicionalmente, la cristalización a las citadas temperaturas hace que funcione
como una alternativa cuando se requiere rigidez en la mezcla para prevenir el
ahullamiento. A temperaturas de servicio, Sasobit forma una estructura enrejada en el
ligante que da estabilidad a la mezcla. Igualmente se puede mezclar con polímeros para
mejorar el comportamiento elástico de la mezcla.

Sasobit puede ser agregado al ligante o a la mezcla. Cuando se agrega a la mezcla debe
ser agregado a la corriente de asfalto antes que el agregado.

Figura 6 Presentación Sasobit; izquierda: pastilla (granulo) de diámetro 4 mm, derecha polvo de
diámetro 1 mm

Fuente: (Sasobit, 2012)

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Figura 7 Versatilidad para la adición de Sasobit


Figura 8 Equipo desarrollado por Hi-Tech Solutions diseñado específicamente para manejar el Sasobit


8.2.1.3.2 Asphaltan
Asphaltan es un producto de Romonta GmbH, disponible comercialmente en sacos de 25
kg. Está compuesto por una mezcla de ceras de montana e hidrocarbonos de alto peso
molecular. El punto de fusión es aproximadamente 100˚C. Romonta no especifica cuanto
se reduce la temperatura de producción, pero algunas investigaciones aseguran que
estas disminuciones se encuentran en el rango de los 20‐30˚C. Romonta asegura que
este producto aumenta el punto de ablandamiento del ligante y, en consecuencia, mejora
la resistencia a la deformación plástica de la mezcla.

8.2.1.3.3 Licomont BS
Licomont BS 100 es un modificador asfáltico basado en ácidos grasos derivados que
pueden incrementar la vida útil de los pavimentos, particularmente en ambientes que se
encuentran a altas temperaturas. Se comercializa en forma de polvo o granulado. El punto
de fusión se encuentra entre los 140˚C y los 145˚C y la solidificación entre los 135˚C y los
145˚C. Durante el enfriamiento, las amidas forman cristales que proporcionan al ligante
una mayor rigidez y el grado de penetración disminuye de 10 a 15%. Mediante la mejora
de la adhesión y de los niveles de compactación de la mezcla asfáltica e incremento de la

18

dureza del asfalto, se asegura que la resistencia óptima al tráfico se consiga con una
menor temperatura de producción. Esta menor temperatura también reduce el consumo
de energía durante la producción de la mezcla, así como en el transporte y extendido.

8.2.2 ADITIVOS QUÍMICOS

8.2.2.1 Definición

Los aditivos químicos son productos que no dependen de ningún proceso de espumación
o de reducción de la viscosidad para reducir las temperaturas de mezclado y
compactación. En lugar de eso estos productos generalmente incluyen una combinación
de modificadores del asfalto que mejoran la envuelta de los áridos por el ligante, la
trabajabilidad y compactación de la mezcla, así como promotores de adhesión ligante-
agregado.

8.2.2.2 Tipos de Aditivos Químicos

Los dos tipos de clasificación encontrados en la literatura son los emulsificantes y los
tensoactivos:

8.2.2.2.1 Emulsificantes
Estos productos generalmente incluyen una combinación de agente emulsificantes,
surfactantes, polímeros y aditivos para mejorar la envuelta, la trabajabilidad de la mezcla,
y la compactación, así como promotores de adhesión (agentes cohesivos). La cantidad
añadida y la reducción de temperatura conseguida por estas tecnologías dependen del
producto específico utilizado. Los aditivos generalmente se mezclan con el ligante antes
de que éste sea introducido en el tambor de mezclado. (Labic, 2012).

Su uso se ha extendido sobretodo en USA, pero también en países europeos como
Francia y Noruega. La reducción de temperatura se mueve en rangos que van desde los
15‐30˚C conseguidos por REVIX® a los 50‐75˚C supuestos para Evotherm ET. (Labic,
2012).

A pesar de que estos productos son los más nuevos, razón por la cual la investigación
acerca de estos es mínima. Sin embargo, los resultados prometedores que hasta ahora
se han obtenido permiten pensar en ellos como una fuerte alternativa. (Labic, 2012).

Entre los resultados y limitaciones se tiene lo siguiente (Ulloa, 2011):

 Se requieren algunas modificaciones en la planta para adicionar la emulsión a la
mezcla.

 Es indispensable realizar modificaciones en el diseño de la mezcla asfáltica en el
laboratorio.

 El emulsificante se adiciona a una tasa aproximadamente de 5% por peso de
asfalto antes de mezclarse con el agregado.

19

8.2.2.2.2 Tensoactivos
Los aditivos basados en tensoactivos ayudan al buen recubrimiento de los áridos
reduciendo la tensión superficial árido-bitumen, disminuyendo el ángulo de contacto entre
el ligante y el árido. También actúan como lubricantes mejorando la trabajabilidad de la
mezcla.

Figura 9 Mejora del ángulo de contacto mediante el uso de tensoactivos

8.2.2.3 Productos Comerciales

8.2.2.3.1 Evotherm
Evotherm es un paquete químico diseñado para promover la adhesión, envuelta,
compactación y trabajabilidad de las mezclas asfálticas a temperaturas menores.
Diferentes paquetes químicos están disponibles comercialmente para distintos tipos de
áridos. La principal diferencia entre los distintos paquetes es los agentes de adhesión. Un
componente base de los compuesto químicos son los surfactantes, los cuales actúan
como emulsificadores. Aproximadamente el 50% del paquete químico está derivado de
recursos renovables. Evotherm permite una reducción de entre 50˚C hasta 75˚C, tanto en
la producción como el extendido, en comparación con las mezclas calientes. (Labic,
2012).

Figura 10 Instalación de Mezcla tibia con Evotherm 3G

Fuente: (Mcasphalt, 2012)

20

Inicialmente, el paquete Evotherm se comercializó en forma de emulsión asfáltica con un
residuo de ligante de alrededor del 70%. Este producto fue el pionero, denominado
Evotherm Emulsion Technology, o Evotherm ET. La emulsión se almacena a una
temperatura de 80˚C, y puede disponerse directamente desde camión cisterna, o bien en
tanques móviles o fijos instalados en la planta. A la hora de establecerse el valor óptimo
de ligante en la planta es necesario tener en cuenta el 30% de agua que contiene la
emulsión. La mayoría de esta agua se libera en forma de vapor durante el mezclado. La
mezcla semicaliente resultante se encuentra totalmente envuelta y del mismo color que
las mezclas convencionales, al contrario que las mezclas en frío. (Labic, 2012).

Otra tecnología de la misma compañía (MeadWestVaco) es la denominada Evotherm
Dispersed Asphalt Technology, o Evotherm DAT. La química es la misma que la vista
para Evotherm ET, pero se diferencia en que el paquete químico se añade directamente
junto con una determinada cantidad de agua dentro de la línea de producción asfáltica,
justo antes de que entre en el tambor de mezclado. La principal ventaja de esta nueva
tecnología es que los costes de envío son bastante menores, a la par que permite al
productor cambiar de manera rápida entre HMA y WMA. (Labic, 2012).

El último producto comercializado por la compañía, y que sigue la misma línea de los
anteriores, es el denominado Evotherm 3G. Ha sido desarrollado en colaboración con
ParagonTechnical Services y Mathy Technology & Engineering. Se trata de una forma de
Evotherm con ausencia de agua, apropiado para aplicar de una manera más eficiente los
aditivos contenidos en la tecnología Evotherm en la planta o en la terminal. Las
temperaturas de producción se reducen entre 33 y 45˚C. Este producto ha sido también
comercializado como REVIX, pero actualmente recibe el nombre únicamente de MWV
Evotherm 3G.

Desde carreteras de bajo volumen de tráfico a autovías con alta carga de tráfico,
Evotherm ha mostrado un rendimiento adecuado a lo largo de más de 100 proyectos en
Estados Unidos, así como Francia, España, Canadá, Sudáfrica, México y China.
Resultados obtenidos a partir de test de acelerado de rendimiento del centro para asfaltos
de los EE.UU (NCAT) han arrojado que pavimentos realizados usando la tecnología
Evotherm pueden actuar durante más de 10 años con cargas pesadas de tráfico de
manera excepcional con prácticamente ninguna deformación. (Labic, 2012).

El Evotherm Tecnológico del Asfalto Caliente Mix se entrega en tres formatos diferentes
(Mcasphalt, 2012):

1. Evotherm ET (Emulsión Technology) - un alto contenido de CA, a base de agua
emulsión asfáltica (~ 70% de sólidos). Evotherm ET no requiere modificaciones de la
planta y se limite a sustituir el asfalto líquido en el diseño de HMA. Evotherm ET ofrece
reducciones de temperatura mayor que 55 ° C (100 ° F).

2. Evotherm DAT (Dispersed Tecnología Asfalto) - una solución concentrada de aditivos
Evotherm en línea inyectados en la planta de mezcla. Evotherm DAT productores de
mezcla ofrece una total flexibilidad en el cambio entre cálida mezcla y la producción de
una mezcla en caliente al tiempo que reduce las temperaturas de mezcla 45-55 ° C (85-
100 ° F).

3. Evotherm 3G (Tercera Generación) - desarrollado en colaboración con Paragon
Servicios Técnicos y Tecnología e Ingeniería Mathy, esta forma de agua libre de

21

Evotherm es adecuado para la introducción de nuestros aditivos en la planta de mezcla de
asfalto o terminal. Evotherm 3G generalmente disminuye las temperaturas de mezcla 33-
45 ° C (60-85 ° F).

8.2.2.3.2 Cecabase RT
Como resultado de la investigación llevada a cabo por parte del grupo Arkema, en 2006
empieza a comercializarse el producto CECABASE RT. En un año, alrededor de 10
proyectos fueron llevados a cabo con éxito y 80.000 toneladas de mezclas semicalientes
fueron producidas usando este aditivo en 2006. (Labic, 2012).

El aditivo CECABASE se basa en agentes tensoactivos compuestos al menos por un 50%
de materia prima renovable. Cuando se mezcla con el betún, la temperatura de extendido
puede reducirse hasta en 50˚C sin que haya un efecto adverso en el rendimiento del
pavimento. Comparado con las mezclas calientes, el uso de este aditivo permite reducir el
consumo de energía entre 20 y 50%, dependiendo del proceso, y considerablemente
reduce las emisiones dañinas a la atmósfera. (Labic, 2012).

Es un aditivo químico que da trabajabilidad a las mezclas de asfalto a temperaturas
menores (Ceca, 2012):

 Es un líquido, fácil de mezclar en el asfalto.
 Se necesita sólo entre 0.2 y 0.5 % en el asfalto.
 No se requieren modificaciones en el proceso.
 Se obtienen reducciones de temperatura de fabricación de hasta 45ºC
 No se modifica la viscosidad del asfalto.

En un estudio en microscopio realizado por el fabricante se encontró una buena
repartición de agregados, Excelente recubrimiento de los agregados (incluso las
partículas finas), No se encuentran emulsiones o espuma en la mezcla. No hay
diferencias observables con una mezcla caliente. (Ceca, 2012).

Figura 11 Estudio en microscopio electrónico mezcla con Cecabase RT

Fuente: (Ceca, 2012)

22

8.2.2.3.3 Rediset WMX
Rediset WMX es una mezcla de surfactantes catiónicos y aditivos orgánicos En 2007
AkzoNobel introdujo un nuevo sistema de producción de mezclas semicalientes
denominado Rediset WMX en el intento de mitigar las deficiencias observadas en las
tecnologías WMA existentes por aquel entonces. En particular, este sistema fue
diseñando con objeto de solventar los problemas existentes con el agua en las mezclas
semicalientes; la rigidez reducida comparada con las mezclas calientes; y la incerteza
existente en las propiedades a bajas temperaturas. (Labic, 2012).

Stripping (incorrecta adhesión entre árido y betún debido a la presencia de agua) es un
problema bastante conocido, dando lugar a la pérdida de partículas, baches, roderas y
deformaciones plásticas permanentes. Rediset WMX está formulado de tal modo que se
mejore la adhesión entre el árido y el betún y así prolongar la vida útil del pavimento y
reducir el mantenimiento durante dicho periodo. (Labic, 2012).

El Rediset WMX tiene las siguientes características (Martinez, 2012):

 Aditivo solido en forma de pastillas
 Puede dosificarse en plantas de tambor mezclador
 Puede ser pre-mezclado con el ligante asfaltico
 Estable al calor en asfalto caliente por más tiempo

Figura 12 Presentación del Rediset WMX

Fuente: (Martinez, 2012)

La tecnología amina del producto le dota de propiedades promotoras de la adhesión
(habilidad para desplazar el agua de la superficie de los áridos húmedos) y un efecto
antioxidante, mientras que la forma física del producto provoca cierta reducción de la
viscosidad a las temperaturas de la mezcla, aumentando la rigidez a temperaturas de
servicio. (Labic, 2012).

23

8.2.3 PROCESOS DE ESPUMACIÓN

8.2.3.1 Definición

Se basa en el uso de pequeñas cantidades de agua que se inyectan directamente
en el ligante asfáltico o con los áridos en el tambor de mezclado. Cuando el agua
entra en contacto con el bitumen caliente, las altas temperaturas provocan su
evaporación, y el vapor queda atrapado dentro de la matriz del betún. Lo anterior
genera un volumen de vapor, que incrementa de manera temporal el volumen de
del ligante y disminuye su viscosidad, con lo cual facilitando la envoltura de los
áridos y la trabajabilidad de la mezcla a menores temperaturas de calentamiento
del material.

8.2.3.2 Tipos del proceso de espumación

Las metodologías para inyectar agua en la mezcla pueden ser de dos tipos:
inyectando el agua, método directo, e incluyendo en el ligante materiales que
contienen agua, método indirecto.

Teniendo en cuenta el alcance del presente trabajo, a continuación se estudiará el
método indirecto para el proceso de espumación, el cual consiste en agregar al
ligante asfáltico, Zeolitas sintéticas para conseguir el proceso de espumación.

8.2.3.2.1 Método Indirecto: Zeolita
En 1756 B. A. F. Cronstedt, hizo la observación de que ciertos minerales, cuando se
calientan a determinadas temperaturas burbujean como si estuvieran ebullendo. Él llamó
a estos minerales zeolitas, del griego zeo, “bullir”, y lithos, “piedra”.

Figura 13 Zeolita Natural

Fuente: (Wikipedia, 2012)

Las zeolitas son cristales de alta porosidad y canales submicroscópicos que se componen
fundamentalmente silicio, aluminio y oxigeno. Los canales submicroscópicos contienen
agua, la cual se libera de la estructura ante el aumento de la temperatura (ebullición a

24

altas temperaturas) provocado por la adición del betún, causando el efecto de micro-
espumación en la mezcla asfáltica.

Estructuralmente las zeolitas son sistemas de aluminosilicatos que se basan en
infinitésimas redes tridimensionales de tetraedros de AlO4 y SiO4, unidos unos a otros
mediante los oxígenos que comparten.

Figura 14 Zeolita: Estructura Molecular

Fuente: (Relaq, 2012)

La Figura 14 hace referencia a un fragmento en forma de corona, que representa la
"entrada" de un canal que facilita el intercambio de iones. Se puede diferenciar la bola
magenta que representa a un átomo de aluminio en el ciclo de átomos de silicio
(representados por bolas azul celeste). El oxígeno (bolas rojas) asociado a este átomo
presenta la capacidad de fijar un protón adicional (bola blanca). Este protón es muy lábil y
se intercambia fácilmente con iones metálicos alcalinos.

Es por lo tanto evidente que dentro de la estructura porosa de la zeolita, puede existir
agua “almacenada”. Entre las moléculas polares de agua y el sistema de entramado de la
zeolita fuerzas dipolares actúan de un lado. Por otro lado moléculas de agua situadas
alrededor en lugares cristalográficos actúan como disolvente de los cationes de la
estructura exterior de la zeolita, formada por cationes tales como Li+, Na+, K+, que
dependen de la distribución de cargas del entramado.

Las zeolitas se manifiestan, de manera natural, en vetas de rocas ígneas básicas,
particularmente basalto. Sin embargo, también es posible su fabricación sintética, siendo
esta forma, en la que se basan los productos comerciales que se usan para la ejecución
de mezclas tibias: Aspha-min y Advera. Las zeolitas sintéticas son silicatos sódico-
alumínicos que han sido hidrotérmicamente cristalizados.

Las zeolitas que se usan son del tipo A {N12(SiO2)12(AlO2)12(27H20)}, que se venden en
forma de polvo blanco y polvo con tinte amarillento. Son silicatos de estructura
tridimensional, altamente porosas, con grandes huecos o canales. Su tamaño de poros va
desde 2 x 10-10 a 5 x 10-10 m. El agua contenida se libera a temperaturas que van desde
los 70 hasta los 220 °C. Pueden absorber partículas ajenas dentro de su estructura y

25

posteriormente liberarlas sin cambiar su forma. No reaccionan a través de su superficie
exterior porque todos los centros activos están situados dentro de los poros y los huecos.

8.2.3.2.2 Productos Comerciales
8.2.3.2.2.1 Aspha-Min
Aspha-min es una zeolita sintética producida por la empresa alemana Eurovia GmbH,
utilizada para la producción de mezclas asfálticas tibias. Reduce la viscosidad, con lo cual
incrementa la trabajabilidad de la mezcla.

Se presenta comercialmente como unos gránulos muy finos, con un tamaño medio de
partícula de alrededor de 380 μm o bien como un polvo fino, con 3.5 μm de tamaño
medio. En el rango de temperaturas que va desde los 85 hasta los 180 °C, el agua
cristalina que contienen las partículas es liberada, creando el ya mencionado efecto de
espumación correspondiente.

Figura 15 Presentación aspha-min

Fuente: (Asphamin, 2012)

Aspha-min contiene aproximadamente 20% de agua cristalizada, en términos de peso.
Cuando se inyecta en el mezclado, el agua se libera en forma de vapor, produciendo un
asfalto espumado. El agua cristalizada se va liberando gradualmente, por lo cual el efecto
se mantiene por un relativamente largo periodo y hasta que la temperatura de la mezcla
desciende por debajo de los 100 °C. Con la aplicación de Aspha-min, sólo el vapor de
agua es emitido del producto; mientras la mezcla se enfría la zeolita manteniendo sus
propiedades originales. Dicho producto permanece en la mezcla, actuando como una
arena sintética.

El productor recomienda agregar Aspha-min con el ligante o poco tiempo antes, en una
cantidad del 0,3 % por peso de mezcla, lo que permitirá reducir alrededor de 30 °C la
temperatura de producción y extendido de la mezcla.

26

Figura 16 Equipos para la Dosificación Aspha-min

(Von devivere, 2012)

8.2.3.2.2.2 Advera
Se trata de una zeolita sintética, la cual, dosificando una cantidad igual al 0,25% del peso
de la mezcla, consigue la producción y extendido de mezclas a temperaturas de entre 20
a 35 ˚C menores que las mezclas calientes. Tanto el proceso de obtención, como sus
características son similares al anterior, son aluminosilicatos hidratados, que contienen
entre un 18 y un 21% de agua cristalizada.

Figura 17 Presentación Advera en polvo


27

Figura 18 Equipos recomendados por el productor para la dosificación de Advera. Izquierda: Advera
Injector System. Derecha: Krendl KP1000 Feeder Machine and WMA (Warm Mix Asphalt)


8.3 CASOS DE INVESTIGACIÓN

Respecto a la tecnología de mezclas tibias, se han desarrollado múltiples trabajos de
investigación.

A continuación serán expuestos en dos categorías: La reología del asfalto modificado
para su uso en mezclas tibias estudiadas a nivel internacional y los estudios desarrollados
en este campo a nivel nacional.

8.3.1 Reología del asfalto modificado para su uso en mezclas tibias

La reología es la respuesta de un material frente a las distintas solicitaciones. En otras
palabras la Reología es la ciencia que estudia la deformación y el flujo de los materiales,
en relación con las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo.

El estudio reológico del betún es importante, porque a pesar de que representa una parte
relativamente pequeña en una mezcla asfáltica, condiciona en gran medida la mayoría de
las propiedades mecánicas y reológicas de las mismas y es el responsable del complejo
comportamiento de ella. (Gil, 2011(2)).

Los ensayos utilizados para caracterizar el comportamiento viscoelástico del asfalto son el
viscosímetro rotacional y el DSR (reómetro dinámico de corte).

8.3.2 Viscosidad (Viscosímetro Rotacional)

Las medidas de viscosidad a altas temperaturas, tales como aquellas requeridas
para determinar la adecuada temperatura de mezcla y compactación, así como
verificar la idoneidad de bombear durante la mezcla, pueden ser realizadas
mediante el viscosímetro rotacional. El ensayo consiste en rotar un eje en una
muestra de asfalto a una temperatura determinada, midiendo el torque requerido

28

para mantener una velocidad de rotación constante. A partir del mencionado
torque el aparato indica directamente la viscosidad cinemática de la muestra.

El cambio en la viscosidad (reducción a altas temperaturas y para algunos
productos aumento a bajas) del ligante es el principio más importante que hace
posible producir mezclas asfálticas a menores temperaturas con una correcta
envuelta y sin pérdida de trabajabilidad a la hora de la extensión. La relación
temperatura‐viscosidad del ligante es por lo tanto determinante a la hora de decidir
los rangos de temperatura a los que producir estas mezclas tibias (Labic, 2012).
Figura 19 Comparativo de la viscosidad de un ligante asfáltico 64-22, modificado con distintos
aditivos utilizados para la producción de mezclas tibias, todos dosificados al 3% del peso del ligante.
En azul viscosidad cinemática, en verde porcentaje de reducción.

Fuente: (Rowe, 2009)

En la Figura 19 se observa la reducción de la viscosidad producida en el ligante asfáltico
modificado con distintos aditivos a base de ceras orgánicas y zeolita sintética.

8.3.2.1 Cera Fischer-Tropsch

Se observa en la Figura 20 que la viscosidad para el ligante asfáltico aditivado con la cera
Fischer-Tropsch es superior a la del asfalto base hasta 4,5 veces. Esta diferencia se va
reduciendo según aumenta la temperatura, haciéndose casi igual a 100ºC. Lo anterior
implica que a las temperaturas de uso del pavimento el ligante asfáltico aditivado con esta
cera presenta una mayor viscosidad y, en consecuencia, se espera una mejor respuesta a
las solicitudes durante la etapa de operación del pavimento. Al aumentar la temperatura
por encima de los 100ºC la viscosidad de las mezclas que lo contienen disminuyen

29

notablemente, ello implica que se puedan utilizar menores temperaturas de mezclado y
compactación. (Gil, 2009)

Figura 20 Medida de la viscosidad a diferentes temperaturas, mediante el viscosímetro rotacional, de
un ligante asfáltico 60-70, aditivado con 1, 3 y 6% de Sasobit

Fuente: (Gil, 2011)

8.3.2.2 Ceras amidas acidas fatty

El cambio en la viscosidad de las ceras de amidas acidas grasas se ha encontrado una
tendencia parecida a la de la cera Fischer-Tropsch, pero en este caso la caída de la
viscosidad se produce a temperaturas mayores (entre 130-140ºC) que coincide con el
punto de fusión de esta cera. (Gil, 2009)

8.3.2.3 Aditivos Tensoactivos

Los aditivos basados en tensoactivos ayudan al buen recubrimiento de los áridos
reduciendo la tensión superficial árido-bitumen, disminuyendo el ángulo de contacto entre
el ligante y el árido. También actúan como lubricantes mejorando la trabajabilidad de la
mezcla. Por lo anterior, la adición de tensoactivos al ligante asfáltico su viscosidad en su
estado original.

30

Figura 21 Medida de la viscosidad a diferentes temperaturas, de un ligante asfáltico 50-70, con dos
tipos de aditivos tensoactivos

Fuente: (Gil, 2011(2))

8.3.2.4 Zeolita sintética

La reducción en la viscosidad producida por la zeolita sintética se genera a temperaturas
superiores a los 85° C, temperatura a partir de la cual el agua cristalizada se vaporiza y
genera el efecto de micro-espumado en el ligante. A temperaturas debajo de la citada, no
se produce ningún efecto en la viscosidad del ligante.

8.3.3 DRS (Reómetro Dinámico de Corte)

El DSR es usado para caracterizar el comportamiento viscoelástico del cemento asfáltico,
y evaluar, su potencial de ahuellamiento y agrietamiento por fatiga. El principio básico
usado por el DSR es que el asfalto se comporta de forma elástica a bajas temperaturas y
de forma viscosa a altas temperaturas. Estos comportamientos son medidos a partir de un
módulo complejo G* y un ángulo de fase δ. El G* y δ son medidos por el DSR mediante
la aplicación de un torque en el cemento asfaltico con un plato normalizado oscilatorio.

El módulo complejo, G*, es definido como la relación entre la tensión aplicada y la
deformación resultante. G* tiene dos componentes: una elástica, recuperable, y otra
viscosa, no recuperable.

El ángulo de fase, δ, es el tiempo que toma entre la aplicación del esfuerzo y la
deformación en el cemento asfaltico.

31

Figura 22 Reómetro dinámico de corte y comportamiento esfuerzo-deformación en un ensayo
oscilatorio

Fuente: (Morea, 2011)

Figura 23 Módulo complejo (G*)y ángulo de fase (δ) en función de la frecuencia de carga (izquierda) y
en función de la temperatura (derecha).


32

8.3.3.1 Efecto de las ceras Fischer-Tropsch sobre las propiedades viscoelásticas del
ligante.

El efecto de la cera Fisher-Tropsh (Sasobit) en los parámetros G* y δ del ligante asfáltico,
a diferentes fases de la vida del asfalto se presenta en la Figura 24.

Figura 24 Efecto de la adición de Sasobit en G* y δ en las diferentes fases de vida del asfalto: a)
Original, b) RTOF y C) PAV. Ensayo realizado con una frecuencia de 10 rad/s

Fuente: (Jamshidi, 2012)

Como se puede observar, a medida que se agrega al ligante una mayor cantidad del
aditivo G* incrementa y δ decrece, sin importar la fase de vida del material.

Esto ocurre debido a la estructura cristalina que toma el Sasobit a temperaturas de
servicio de la mezcla, lo cual reduce la sensibilidad a la temperatura e incrementa la
componente elástica del ligante.

Con lo anterior, se confirma lo descrito anteriormente referido a que el ligante modificado
con Sasobit, tiene reología diferente dependiendo de la temperatura. A altas temperaturas
reduce la viscosidad del ligante, mientras que a temperaturas intermedias incrementa la
rigidez del ligante.

8.3.3.2 Efecto de los aditivos tensoactivos sobre las propiedades viscoelásticas del
ligante.

En la Figura 25 se puede observar el efecto sobre las propiedades viscoelásticas del
ligante asfáltico, al que se le ha adicionado dos tipos de aditivos químicos tensoactivos. Al
respecto, se evidencia el efecto casi nulo del aditivo sobre el módulo complejo G*, así
como el mínimo incremento de ángulo de fase (δ = Í), confirmando que este tipo de
aditivos actúa sobre otras propiedades del material distintas a las viscoelásticas.

33

Figura 25 Efecto de la adición de dos tipos de ceras orgánicas y dos tipos de aditivos tensoactivos en
un ligante asfáltico 50 – 70. Ensayo realizado con una frecuencia de 10 rad/s

Fuente: (Gil, 2011(2))

8.3.3.3 Efecto de la zeolita sintética sobre las propiedades viscoelásticas del ligante.

En la Figura 26 se presenta un comparativo entre el comportamiento viscoelástico de un
ligante asfáltico PG 64-22, y el mismo ligante adicionándole 3% de Asphamin GHP, todo
ensayado a una temperatura de 25°C. Al respecto, se puede observar valores similares
módulo complejo G* y ángulo de fase δ. Lo anterior, debido a que el efecto del citado
aditivo, en las propiedades viscoelásticas del ligante, se genera únicamente durante las
operaciones de mezclado y compactación, cuando el ligante se encuentra a altas
temperaturas.

Figura 26 Efecto de la adición de Asphamin GHP, en un ligante asfáltico PG 64-22. Ensayo realizado a
una temperatura de 25 °C

Fuente: (Rowe, 2009)

34

8.3.4 Viscosidad a Corte Cero (Zero Shear Viscosity – ZSV)

Al relacionar la respuesta reológica de los asfaltos con el desempeño de las mezclas
asfálticas debe considerarse que dichas respuestas son marcadamente diferentes según
el tipo de asfalto. Con la creciente conciencia de la necesidad de utilizar la tecnología de
mezclas tibias, se hace imperativo el estudio de las propiedades del ligante modificado
para la producción de este tipo de mezclas.

En años recientes, los investigadores han observado que el parámetro G*/senδ no es muy
efectivo para predecir el comportamiento del ligante frente a la deformación plástica,
especialmente en el caso de los asfaltos modificados.

El Strategic Highway Research Program (SHRP) especifica G*/senδ como un parámetro
para determinar la resistencia del ligante a la deformación plástica. G* es el módulo
complejo del ligante, que es la medida de la resistencia a la deformación cuando el ligante
es sometido a esfuerzos repetitivos de corte. El δ es el parámetro que mide el tiempo
entre la aplicación de la carga de corte y el inicio de la deformación del material. Teniendo
en cuenta que la viscosidad del ligante cambia con la temperatura y las propiedades
elásticas cambian con la frecuencia de carga, los citados parámetros se han considerado
por algunos investigadores como inefectivos para predecir el comportamiento del ligante
frente a la deformación plástica. Lo anterior, debido a que estos parámetros no distinguen
entre la energía disipada a través de la deformación plástica y la disipada a través de la
deformación elástica. Sin embargo, a velocidades bajas la energía se va disipando hasta
que la resistencia al flujo que ofrece la estructura del material alcanza un valor constante.
Esta resistencia al flujo se conoce como viscosidad de corte cero (Zero Shear Viscosity –
ZSV) y se conoce como una propiedad intrínseca del ligante. De esta forma es posible
comparar, en los mimos términos, el comportamiento frente a la deformación plástica de
asfaltos convencionales y modificados.

La viscosidad en corte cero se define como la viscosidad del material, cuando el esfuerzo
cortante está actuando a una tasa de casi cero. En consecuencia, se dice que la ZSV es
un indicador de dos características relativas al ahuellamiento en la capa asfáltica del
pavimento, la rigidez del ligante y la resistencia del ligante a la deformación permanente
bajo una carga sostenida a largo plazo.

8.3.4.1 Metodologías de Trabajo

Existen diversos procedimientos experimentales para medir la ZSV, entre ellos los
siguientes:

 Ensayo de barrido de frecuencias (frecuency sweep test)

El barrido de frecuencia es un ensayo donde la muestra de asfalto es sometida a
diferentes frecuencias de oscilación utilizando un DSR a una dada temperatura. Durante
el ensayo se mantiene la amplitud de oscilación constante. Para cada frecuencia se
evalúa la viscosidad del asfalto. Esta viscosidad es denominada compleja ya que se
calcula a partir del módulo complejo (G*) según la siguiente ecuación.

35

Teniendo en cuenta que la * está directamente relacionada con el módulo G*, entonces
la viscosidad compleja también se puede presentar con una componente elástica y una
viscosa, denominadas ” y ’ respectivamente. Usualmente sólo la componente viscosa,
denominada viscosidad real, es tomada en cuenta en los barridos de frecuencia, ya que
es la relacionada con la energía disipada en el proceso de deformación. Sin embargo, se
debe entender que la componente viscosa de la viscosidad compleja no tiene un
significado físico real y sólo se puede entender como la relación del módulo complejo con
el trabajo de deformación. Para medir la resistencia al flujo de un asfalto en un ensayo
oscilatorio se debe considerar la viscosidad como un todo.

Figura 27 Valores de ZSV calculados para 5 tipos diferentes de asfaltos modificados con los aditivos
estudiados, mediante un ensayo de barrido de frecuencia.


Figura 28 Módulo de elástico y módulo viscoso, medidos a partir de un ensayo de barrido de
frecuencias.


36

 Ensayo de barrido de velocidades de corte (shear rate sweep test):

El ensayo de barrido de velocidades de corte es similar al de frecuencias. La muestra se
somete a diferentes velocidades de corte y se evalúa la viscosidad cinemática del asfalto.
La viscosidad compleja y la viscosidad cinemática de asfalto. Son completamente
análogas entre sí.

Figura 29 Curva de viscosidad a diferentes velocidades de aplicación del esfuerzo cortante.


El comportamiento en función de la velocidad de carga es característico de los asfaltos; la
viscosidad decrece con el incremento de la velocidad de carga

 Ensayo de Creep

En el ensayo de fluencia, la muestra de asfalto es sometida a una tensión constante y se
mide la evolución de las deformaciones en el tiempo. En estas condiciones el asfalto
presenta primero una deformación elástica instantánea, seguida de una deformación
visoelástica, para finalmente si el tiempo de ensayo es suficientemente largo, presentar
una deformación viscosa pura.

La fluencia (creep) se puede modelar a través de un simple sistema de resortes y
amortiguadores hidráulicos colocados en configuraciones de serie y paralelo, que se
conoce como modelo de Burger. Usualmente este modelo se escribe en términos de lo
que se conoce como “compilance” en lugar de las deformaciones. El creep compilance se
define como la deformación medida dividida la tensión aplicada y es proporcional a la
deformación e independiente del nivel de tensión aplicada si se está dentro del rango
lineal viscoelástico del ligante.

37

Figura 30 Modelo de Burger.


estudiados, mediante un ensayo de fluencia (creep) modelado mediante el modelo de Burger


38

Figura 32 Respuesta de un ligante ensayado en creep, con dos tipos de aditivos utilizados para
mezclas tibias.


 Ensayo de multi Creep o Creep repetitivo.

En el ensayo de creep repetitivo una muestra de asfalto es sujeta a múltiples ciclos de
carga descarga en un DSR. Esta metodología se basa en el comportamiento de las
cargas cíclicas que ejerce el tránsito sobre el pavimento. Este ensayo permite medir la
respuesta del ligante frente a la acumulación de deformaciones permanentes a la vez que
evalúa la respuesta elástica del material.

Figura 33 Comparación entre un ciclo de carga y descarga sobre un asfalto en el DSR y la acción del
tránsito sobre la mezcla.


39

estudiados, mediante un ensayo de fluencia (creep) repetitivo modelado mediante el modelo de
Burger.


Figura 35 Respuesta de un ligante ensayado en creep repetitivo, con dos tipos de aditivos utilizados
para mezclas tibias


8.3.5 Estudios desarrollados en Colombia

Como resultado de la investigación se encontraron dos trabajos de investigación sobre la
tecnología de Mezclas Tibias:

8.3.5.1 Diseño y producción de mezclas asfálticas tibias, a partir de la mezcla de asfalto
y aceite crudo de palma (elaeis guineensis) Por Conrado Hernando Lopera
Palacio

Producir mezclas asfálticas (WAM) a baja temperatura, empleando un bioinsumo
disponible en Colombia, como es el aceite crudo de Palma. El asfalto base empleado fue
un 60-70 de Ecopetrol, el cual se caracterizó y obtuvo la curva reológica. (Lopera, 2011).

40

Figura 36 Ensayo de Viscosidad Asfalto Base

Fuente: (Lopera, 2011).

Figura 37 Curva reológica Asfalto Base


Para la fabricación de la mezcla primero obtuvo muestras de aceite de Dismaprim
(Cundinamarca), Palmagro (Cesar) y Crudo de Santa Marta (Magdalena), De los cuales
selecciono a Dismaprim y Palmagro debido a que estos cumplían con las especificaciones
de control de calidad. Agrego proporciones 0.3 %, 0.5 %, 0.7% y 1.00% de adición con
relación al peso del asfalto, generando con estos valores una regresión logarítmica en el

41

plano viscosidad vs temperatura. De los resultados obtenidos y extractados de las curvas
reológicas, se escoge el crudo de palma procedente de Dismaprim, y con el 1% de
adición con relación al peso del asfalto. Dado que posee el mayor potencial reductor de la
viscosidad. (Lopera, 2011).

Figura 38 Variación de la viscosidad con adiciones de aceite Dismaprim


Figura 39 Curvas de viscosidad con adición de aceite Dismaprim


Con base en los resultados de laboratorio se elabora cuadro comparativo de desempeño
de mezclas asfálticas en Caliente y mezclas asfálticas tibias. (Lopera, 2011).

42

Figura 40 Cuadro comparativo de desempeño


Las mezclas asfálticas tibias producidas con bioasfaltos se pueden considerar otra opción
de pavimentación, la cual nos brinda beneficios económicos técnicos y ambientales.
(Lopera, 2011).

8.3.5.2 Estructura interna de mezclas asfálticas tibias compactadas en laboratorio Por
Allex Álvarez, Juan Carvajal y Oscar Reyes.

Este artículo se centra en el análisis de la estructura interna de especímenes de MAT
compactados usando el Compactador Giratorio Superpave (CGS) y el Compactador
Giratorio de Texas (CGTx). El análisis fue realizado en términos de las características de
los vacíos evaluadas mediante la aplicación de tomografía computarizada con Rayos-X y
técnicas de análisis de imágenes. Los resultados obtenidos sugieren que la adición de
aditivos tipo MAT y la correspondiente reducción de la temperatura de compactación de
especímenes compactados en el CGS no generaron cambios significativos en la
distribución vertical del contenido total de vacíos comparado con la distribución de la MAC
de control. Sin embargo, algunas diferencias fueron reportadas en términos del tamaño de
los vacíos, lo cual sugiere la existencia de discrepancias en la condición de
empaquetamiento del agregado. Por lo tanto, se sugirió investigación adicional para
validar completamente la equivalencia de la estructura interna de las MAT y las MAC.
(Álvarez, 2012)

43

Figura 41 Distribución vertical de contenido total de vacíos para los especímenes SGC (control-HMA y
WMA)

Fuente: (Álvarez, 2012)

Figura 42 Distribución vertical de contenido total de vacíos para los especímenes TxGC (control-HMA
y WMA)

Fuente: (Álvarez, 2012)

44

9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

9.1 CONCLUSIONES

 Se recolecto información acerca de mezclas tibias y se seleccionó la
documentación para la producción de este informe.

 Se expusieron las experiencias académicas a nivel internacional y nacional, que
consideramos eran de mayor utilidad para cumplir con el objetivo de informar el
aporte del estudio de reología en mezclas tibias y el uso de un nuevo aditivo
orgánico con biodisel.

 La información encontrada sobre la investigación realizada en Colombia,
relacionada con el tema del presente informe, fue muy poca comparada con la
encontrada en otros países. Por otra parte no se encontró información relativa a la
implementación de esta tecnología en ningún proyecto del país.

 Después de realizar la recopilación, análisis y selección de la información acerca
de las mezclas tibias, podemos concluir que esta tecnología es un gran aporte
para disminuir el impacto ambiental.

 Como se ha reiterado a lo largo de este documento, el desarrollo de las nuevas
tecnologías en las mezclas asfálticas contribuye con la disminución del
envejecimiento del ligante en el proceso de fabricación, lo cual mejorará el
comportamiento a la fatiga del material.

 La viscosidad en corte cero se presenta como una parámetro adecuado para
medir la resistencia a la deformación permanente del ligante; sin embargo, el nivel
de investigación registrado sobre este tema aún no establece un estándar de
ejecución del ensayo que sirva como referencia, en cuanto a procedimiento y
valores, para establecer si una carpeta asfáltica en un pavimento será resistente al
fenómeno de ahuellamiento o no. Lo anterior, teniendo en cuenta que las
propiedades estudiadas con este ensayo no son intrínsecas.

9.2 RECOMENDACIONES

 A pesar de los estudios, hasta la fecha realizados, sobre el uso de este tipo de
aditivos, los cuales en general presentan los beneficios que generan en las
diferentes fases de vida del asfalto, el uso y la dosificación de estos aditivos en el
ligante sólo podrá ser el resultado de una serie de estudios que permitan
garantizar el adecuado desempeño del ligante asfáltico y la mezcla.

 Consideramos que como estudiantes en formación de especialización, debemos
estar a la vanguardia en cuanto los temas relacionados con los materiales y
técnicas, por esto se propone que en la asignatura de laboratorio se profundice en
el estudio de las nuevas tecnologías como la expuesta en este documento en
Mezclas Tibias.

45

 El estudio de la adición de aceite crudo de palma, para producir mezclas asfálticas
tibias, se considera como un proyecto emprendedor; sin embargo, el tema debe
ser estudiado más a fondo, incluyendo la realización de pruebas en campo. Todo
con el objetivo de confirmar el buen comportamiento de la mezcla en etapa de
servicio.

 Se hace necesario promover la investigación de esta tecnología en el país, así
como su implementación en los distintitos proyectos viales. Todo en atención a los
beneficios referidos en este documento.

46

10 BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA

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