Ppt trabajo nº02 viscoelasticidad del asfalto (1) 092148 (1)
1. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA
ESCUELA DE POSGRADO
MAESTRÍA EN INGENIERÍA VIAL CON MENCIÓN
EN CARRETERAS, PUENTES Y TÚNELES
TECNOLOGÍA DEL ASFALTO
TRABAJO DE INVESTIGACIÒN Nº2:
VISCOELASTICIDAD DE LOS LIGANTES ASFALTICOS
PRESENTADO POR
ING. LUIS GERMÁN, ARTEAGA CHÁVEZ
ING. KAREN VANESSA, BASTIDAS SALAZAR
ING. NESTOR WILBER, CHAIÑA CASTILLO
ING. EMERSON, DÁVILA TITO
ING. JERRY, ESTELA IZQUIERDO
ING. DAVALOS ALVAREZ ANTONY JUALNOR
DOCENTE: M. SC. Ing. ESCALANTE ZEGARRA JORGE RODOLFO
GRUPO DE CURSO: 01
GRUPO DE TRABAJO: 01
PERÚ - 2021
2. INTRODUCCIÓN:
El asfalto, uno de los materiales de construcción más antiguos utilizados por el hombre,
encuentra cada día nuevas aplicaciones. Se utiliza ampliamente en pavimentación de carreteras,
revestimiento de obras hidráulicas, impermeabilización de edificios, etc.
Es un material aglutinante de consistencia variable, de color oscuro, se puede encontrar
naturalmente y/o por refinación de petróleos. Está constituido por mezcla compleja de
hidrocarburos no volátiles de elevado peso molecular.
Los asfaltos naturales pueden encontrarse en depresiones de la corteza terrestre constituyendo
los “Lagos de Asfalto“(Trinidad, Bermudas) o aparecen impregnados en poros de rocas
formando las llamadas “Rocas Asfáltitas“(Gilgonita). Se encuentran también mezclados con
impurezas minerales.
Actualmente, la mayor parte del asfalto producido y empleado en el mundo es extraído del
petróleo del cual es obtenido exento de impurezas.
Para el desarrollo del presente trabajo de investigación se realizó la revisión de bibliografía
especializada a través de artículos científicos, tesis de maestría y luego se determinaron los
conocimientos con respecto a viscoelasticidad de los ligantes asfalticos.
VISCOELASTICIDAD DE LOS
LIGANTES ASFALTICOS
3.
4. 1.1 Objetivo general y específico
1.1.1 Objetivo general
- Desarrollar y conocer la viscoelasticidad de los ligantes
asfalticos.
1.1.2 Objetivos específicos
- Definir la química del asfalto.
- Definir la microestructura del asfalto.
- Desarrollar el comportamiento viscoelástico del asfalto.
- Desarrollar Modelo reologico del asfalto
- Presentar la variación de las propiedades viscoelasticas
(envejecimiento).
5. a. HISTORIA DEL ASFALTO
El asfalto es un componente natural de la mayor parte de los petróleos. La palabra asfalto,
deriva del acadio, lengua hablada en Asiría, en las orillas del Tigris superior, entre los años
1400 y 600 A.C. en esta zona se encuentra en efecto la palabra “Sphalto” que significa “lo
que hace caer”. Luego la palabra fue adoptada por el griego, pasó a latín y, más adelante, al
francés (asphalte), al español (asfalto) y al inglés (asphalt). Estudios arqueológicos, indican
que es uno de los materiales constructivos más antiguos que el hombre ha utilizado.
DEFINICION:
El asfalto usado en pavimentación, generalmente llamado cemento asfáltico, es un material
viscoso (espeso) y pegajoso. Se adhiere fácilmente a las partículas del agregado y por lo
tanto es un excelente cemento para unir partículas del agregado en un pavimento de mezcla
caliente.
6. PROPIEDADES DEL ASFALTO :
PROPIEDADES QUÍMICAS: Básicamente, el asfalto está compuesto por varios hidrocarburos
(combinaciones moleculares de hidrógeno y carbono) y algunas trazas de azufre, nitrógeno y otros
elementos. El asfalto cuando es disuelto en un solvente como el heptano puede separarse en dos
partes principales asfaltenos y maltenos.
PROPIEDADES FÍSICAS: Las propiedades físicas del asfalto, de mayor importancia para el diseño,
construcción y mantenimiento de carreteras son: Durabilidad, adhesión, susceptibilidad a la
temperatura, envejecimiento y endurecimiento.
7.
8. QUIMICA DEL ASFALTO
Antes que el intercambio de crudo, en el mercado, fuera algo corriente; las
refinerías rara vez cambiaban sus fuentes de abastecimiento de crudo. Esto llevo a
que las fuentes de asfalto tuvieran, también, propiedades consistentes. Al
integrarse el cambio del abastecimiento de crudo de las refinerías se crearon más
variaciones en las propiedades del asfalto, tanto físicas como químicas.
De estas variaciones, salió la necesidad de poderse evaluar el comportamiento
del asfalto ante condiciones particulares y predecir su rendimiento en términos de
conocidas formas de esfuerzo. Aún así, algunas propiedades físicas y químicas
siguen siendo constantes en todos los tipos de asfaltos.
9. COMPOSICIÓN QUIMICA DEL ASFALTO
El asfalto, es una mezcla de numerosos
hidrocarburos parafínicos, aromáticos y
compuestos heterocíclicos que contienen azufre,
nitrógeno y oxígeno; casi en su totalidad solubles
en sulfuro de carbono. La mayoría de los
hidrocarburos livianos se eliminan durante el
proceso de refinación, quedando los más pesados
y de moléculas complejas.
10. El asfalto consta de tres componentes
mayoritarios : Asfáltenos, resinas o
conocidas también como Maltenos y aceites.
Estos tres constituyen un sistema coloidal
11. Estructura Química de los Asfaltos
Cuando el asfalto es disuelto en n-heptano, los materiales duros son
precipitados, estos materiales son llamados asfaltenos, nombre propuesto por
Boussingault en 1837. Existen otras fracciones asfálticas precipitadas por
otros solventes, pero esta es la mejor manera de distinguir a estos materiales
como insolubles en n-pentano.
Las sustancias solubles en n-heptano se denominan en general petrolenos,
también llamados maltenos. Las resinas se encuentran en los petrolenos,
pueden ser parcialmente precipitadas por algunos solventes o adsorbidas de
los petrolenos por medio de arcillas u otras minerales activados, estas
resinas, previamente adsorbidas, pueden pasar a un proceso de desorción del
mineral por solventes previamente seleccionados.
Los carbenos son materiales duros presentes en los asfaltenos de algunos
asfaltos. Estos son solubles en disulfuro de carbono pero insolubles en
tetracloruro de carbono.
12.
13. A) ASFALTENOS:
Partículas negras y amorfas que por la acción del
calor aumentan de volumen; no se funden,
transformándose en carbenos y perdiendo sus
propiedades aglomerantes. Son los componentes
mas duros, confiriendo al asfalto estabilidad,
cuerpo y adhesividad; también son los
responsables de buena parte de sus propiedades
reológicas.
14.
15. B) MALTENOS
son blandos, ya que contienen la practica totalidad
de la parafina del asfalto, confiriéndole a éste
ductilidad y plasticidad, y proporcionándole
estabilidad a temperatura ambiente.
16. -RESINAS
Las resinas son materiales muy adhesivos y actúan
como dispersantes o peptizantes de los asfáltenos
17. - AROMATICOS
Los aromáticos constituyen entre el 40 y 65 % de la
composición total de los asfaltos, son las fracciones de
menor peso molecular en la estructura de los asfaltos,
representan la mayor proporción de los dispersantes de
los asfaltenos peptizados. Los aromáticos son
compuestos donde predominan las moléculas
insaturadas de peso molecular de entre 300 a 2000, no
polares, con especial capacidad para actuar como
disolventes de otras cadenas hidrocarbonadas de alto
peso molecular.
22. MICROESTRUCTURA DEL ASFALTO
El ligante asfáltico es una mezcla compleja de una gran variedad de moléculas
que difieren en su forma, tamaño y composición química.
En lo que respecta a su comportamiento micromecánico del asfalto se ha
realizado una recopilación de información a partir de investigaciones previas,
las cuales se han desarrollado la técnica AFM.
23. MICROESTRUCTURA DEL ASFALTO
Uno de los primeros estudios científicos fue desarrollado por Loeber, Sutton,
Morel y Mulleer, (1996); que obtuvieron imágenes de baja resolución que
según indican son moléculas de asfaltenos dentro de un gel o matriz asfáltica.
Así mismo observaron imágenes de estructuras tipo "abeja" distribuidas
aleatoriamente dentro de la matriz asfáltica. Por su parte, Pauli, Branthaver,
Robertson y Grimes (2001) demostraron a través del AFM que las asociaciones
de asfaltenos o partículas coloidales junto con grupos funcionales polares
pueden resultar en el desarrollo de funciones microestructural en la interfase
ligante-aire.
24. En un estudio similar, Jäger, Lackner Eisenmenger, (2004) y Masson, Leblond,
Margeson, (2007), revelaron que la morfología del asfalto está dividida en el área
que corresponde a la estructura abeja, permitiendo observar la clasificación del
asfalto en 3 grupos distintos: 1) dispersión fina (0,1-0,7 μm) en matriz homogénea,
2) dominios de 0,1 μm y 3) cuatro fases diferentes de distintos tamaños (catana,
per, para y sal- fase). Sin embargo, tuvieron la limitante que no lograron
correlacionar la morfología por AFM y los cuatro componentes del asfalto
(saturados, asfáltenos, resinas y aromáticos).
En cambio, Allen, Little y Bhasin, (2012), enfatiza que previo al envejecimiento, los
ligantes asfálticos muestran dos fases distintas: una fase continua y otra fase
dispersa. Mediante la nano indentación determinó las propiedades micromecánicas
tales como: rigidez, adherencia y comportamiento elástico-plástico. Los
investigadores demuestran que la influencia del envejecimiento oxidativo genera
cambios microestructurales en la estructura del asfalto, tales como: la dispersión de
fases, el agrupamiento y la materialización; por lo que sugieren que las estructuras
tipo abeja son el resultado del último proceso, donde una nueva subfase es
identificada dentro de la fase dispersa.
25. Por su parte, Dourado, Simao y Leite, (2012) mediante el AFM mostraron las
diferencias significativas en la elasticidad del asfalto, tanto en estructura tipo abeja
como en la fase continua. Ellos realizaron indentaciones en distintos puntos de la
estructura tipo abeja y se encontró que la recuperación elástica depende de la
estructura coloidal de la abeja. McCarron, Yu, Tao y Burnham, (2012) asumen que
las estructuras tipo abeja están relacionadas a las ceras en los asfaltos,
concluyendo que un incremento en la temperatura puede ser asociado con una
reducción en la altura de las estructuras tipo abeja. Los autores basan este
supuesto en investigaciones previas por Moraes, Pereira, Simao y Leite, (2010),
quien hipotetizó que las estructuras tipo abeja son el resultado de la cristalinización
de ceras dentro del ligante asfáltico.
La microscopía de fuerza atómica (AFM) se puede utilizar para determinar los
módulos de relajación de distribuciones bimodales y trimodales de microfases de
asfalto para evaluar las diferencias entre el comportamiento viscoelástico (Allen,
Little, Bhasin y Lytton, 2013).
26. Siguiendo los resultados del comportamiento del asfalto Yu, Burnham y Tao,
(2015), recomiendan comparar lo obtenido mediante AFM con otras
mediciones a nanoescala tales como nanoindentación o análisis mecánico
dinámico. De esta forma las relaciones entre las microestructuras, las
propiedades mecánicas y químicas del ligante asfáltico se podrían
establecerse, para desarrollar un modelo relacionado con la estructura de las
propiedades mecánicas.
Otros investigadores han utilizado varias técnicas de AFM para estudiar los
efectos de mezclas tibias (WMA, por sus siglas en inglés) en la nanoestructura
y la microestructura, así como las propiedades adhesivas y cohesivas de un
aglutinante de asfalto. Estos observaron que las estructuras tipo abeja están
presentes en asfalto originales y modificados, (Nazzal, Abu-Qtaish, Kaya, y
Powers, 2015.).
27. Finalmente, Aguiar et al., (2015), mediante la técnica de AFM lograron determinar
las distintas fases presentes dentro de los distintos componentes del asfalto. Las
mediciones obtenidas parecen indicar que en el caso del asfalto evaluado, las
estructuras tipo abeja no están relacionadas con los asfaltenos, por tanto la hipótesis
que las estructuras tipo abeja son el resultado de procesos de oxidación,
modificación del asfalto con polímeros o cristalización de ceras paraf ínicas dentro
del ligante asfáltico parece no ser factible. Sin embargo, si hay evidencia clara que
el envejecimiento por temperatura tiene un efecto sobre la morfología del asfalto, y
como tal, dentro de cada una de las fases presentes en los distintos componentes
SARA (saturados, resinas y aromáticos).
Para representar la información antes mencionada por investigadores que han
estudiado la estructura del asfalto; se muestran la Figura 3, en esta se puede
observar: la topografía, la fuerza máxima, la rigidez y la adhesión presentes en el
ligante asfáltico, para la obtención de estas propiedades se utilizó el modo de
fuerza pulsada.
30. MODELO REOLÓGICO DEL ASFALTO.
La reología se define como la ciencia
que estudia la deformación y el flujo
de los materiales bajo la aplicación de
una carga.
31. PROPIEDADES REOLÓGICAS DE LOS MATERIALES ASFALTICOS.
Las propiedades reológicas
del asfalto dependen de las
proporciones en que están
presentes sus componentes,
las cuales varían de acuerdo
con el origen de los crudos
de petróleo. El
comportamiento reológico
del ligante tiene una
influencia significativa en las
propiedades de la mezcla
asfalto-agregado
(ahuellamiento, fatiga y
susceptibilidad térmica
32. LA REOLOGÍA ESTUDIA LAS SIGUIENTES PROPIEDADES.
1. la teoría de la
elasticidad y resistencia de
los materiales.
2. La plasticidad.
3. la viscosidad.
4. la hidráulica.
33. CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS DEL ASFALTO.
El asfalto se clasifica como material viscoelástico porque exhibe
características viscosas y elásticas simultáneamente, es decir que
es un material de comportamiento intermedio entre el sólido de
Hooke (elástico) y el líquido de Newton (viscoso). A temperaturas
elevadas (>100 ºC), el cemento asfáltico se comporta como un
fluido viscoso (muestra la consistencia de un lubricante utilizado
como aceite para motores), mientras que a bajas temperaturas (< 0
ºC) se comporta casi como un sólido elástico (como una banda de
goma). Cuando se aplica una carga, el ligante se estira o comprime
adoptando diferentes formas.
34. VARIACION DE LAS PROPIEDADES
VISCOELASTICAS (ENVEJECIMIENTO)
Las propiedades del asfalto cambian con el tiempo, y es el
fenómeno denominado envejecimiento, el asfalto como
componente y aglutinante principal en las mezclas asfálticas, es un
factor crítico, frente a los volúmenes de tráfico y cargas por eje en
los pavimentos flexibles.
Este envejecimiento sucede desde las etapas posteriores de
producción, almacenamiento, transporte y colocación de las
mezclas, y en la etapa de servicio, la composición y estructura
química del asfalto sufre cambios físicos y químicos adversos y
altera las propiedades fisicoquímicas (perdida de propiedades
Reológicas)
35. VARIABLES DEL ENVEJECIMIENTO DE LOS LIGANTES ASFÁLTICOS
Variables Intrínsecas
Que son a corto plazo y corresponden a las características propias de la mezcla
asfáltica, es decir lo materiales y las características de fabricación (asfalto,
agregados, referidos a los materiales y el contenido de vacíos y la
permeabilidad).
Variables extrínsecas
Que son a largo plazo, se produce por las condiciones ambientales y los efectos
del clima que puede ser envejecimiento físico (endurecimiento) y químico
(irreversible y complejo), que generan una oxidación progresiva durante el
tiempo de servicio (Bell et al., 1991).
36. VARIABLES EXTRÍNSECAS
a) Oxidación
Los asfaltos se oxidan por acción del oxígeno y condicionan el comportamiento y durabilidad del
pavimento después de su elaboración, así como la composición química inicial y desde el
proceso de elaboración de una mezcla asfáltica. Todos estos compuestos absorben oxígeno,
especialmente los nafténicos y las resinas del asfalto se oxidan rápidamente (Lesueur, 2009),
notando que la demanda de oxígeno decrece marcadamente en asfaltos con más viscosidad.
b) Temperatura ambiente
Las propiedades viscoelásticas del asfalto son muy sensibles a la temperatura. La respuesta del
asfalto a altas y bajas temperaturas tiene un efecto importante en la resistencia, formación de
fisuras y grietas. El aumento del componente elástico mejorará el rendimiento del asfalto a alta
temperatura, mientras que el aumento del componente viscoso mejorará su rendimiento a baja
temperatura. La relación entre el componente viscoso y el elástico es importante para el
rendimiento de los ligantes asfalticos a altas y bajas temperaturas.
c) Humedad
Al tener muchos vacíos la mezcla asfáltica en el pavimento, el agua atraviesa cualquiera sea su
espesor, pierde su soporte y se rompe (Cubillos & Núñez, 2013). Además, se ha demostrado que
la humedad superficial juega un papel importante e influye en la aceleración del envejecimiento
(Leiva et al., 2015) y en la aparición de fisuras y patologías tales como desintegración por roturas
de borde.
d) Tiempo
Referido a las propiedades del asfalto que cambian con el tiempo, y debido a esto las
operaciones utilizadas para el diseño basadas en las propiedades físicas iniciales no aseguran un
buen desempeño después que el asfalto ha sido mezclado con el agregado, aplicado y puesto
en marcha para soportar los esfuerzos mecánicos propios del transporte.
37. ETAPAS EN EL PROCESO DE ENVEJECIMIENTO (Read & Whiteoak, 2003)
38. CAPÍTULO III: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
A partir de diversos análisis podemos mejorar los modelos de la mezcla asfáltica.
El asfalto es un material con comportamiento o viscoelástico dependiendo de la temperatura en la que
se encuentre. A temperaturas bajas se comporta como un material sólido (elástico) y a medida que la
temperatura se incrementa presenta comportamiento fluido (viscoso).
El envejecimiento del asfalto es entendido por todos como la alteración de las propiedades
fisicoquímicas (Reológicas) y la pérdida gradual de propiedades viscoelásticas a través del tiempo y hace
que los ligantes asfalticos sean más duros y quebradizos.
Variables del envejecimiento de los ligantes asfálticos, son las intrínsecas y extrínsecas. La primera
referido a corto plazo y que son características propias de la mezcla asfáltica (asfalto y agregados) y el
segundo es a largo plazo según las condiciones ambientales (oxidación, temperatura ambiente,
humedad y tiempo)
A partir de diversos análisis podemos mejorar los modelos de la mezcla asfáltica.
Con base en las investigaciones consultadas, se puede concluir que el comportamiento microestructura
del asfalto tipo abeja no están relacionadas con los asfaltenos, dado que estos se encuentran en la para-
fase brindando de esta forma la rigidez del material; mientras que los maltenos son los que brindan
mayor adhesividad, lo que es congruente pues son componentes más viscosos
RECOMENDACIONES:
Se recomienda para futuras investigaciones como la determinación del módulo de rigidez en el ligante
asfaltico. Se requiere aplicar técnicas de nanoindentación la cual permite estudiar los rangos de
