ligantes asfalticos

1. LIGANTES
ASFÁLTICOS
DOCENTE: M.Sc. TITO BURGOS SARMIENTO

2. En el antiguo mundo el asfalto era utilizado como mortero
para la pega de bloques de construcción, en la
realización de pavimentos interiores y como
impermeabilizante en la industria naval y numerosas
aplicaciones más.
En Sumeria cerca de los 6000 a.c. se utilizaba el asfalto en la
industria naval.
En Babilonia se uso el asfalto como mortero en la
construcción de las Torres de Babel
Los egipcios la utilizaron como material impermeabilizante
al igual que como material de relleno del cuerpo
humano en el proceso de momificación. En aquel
entonces era común encontrar asfalto natural
depositado en estanques y lagos de asfalto, así como en
piedras porosas como la caliza y la arenisca, ejemplo de
esto son los depósitos del lago de asfalto de Trinidad. Sin
embargo, en la actualidad el asfalto que se utiliza es
artificial y se deriva del petróleo.
GENERALIDADES

3. MATERIALES BITUMINOSOS
Los materiales bituminosos son asociaciones de
hidrocarbonos. Son subdivididos en dos
categorías:
Los asfaltos y los alquitranes.
Asfaltos: Pueden ser naturales o producto de la
refinación del petróleo. Hoy en día son
obtenidos a través de la destilación del
petróleo.
Alquitranes: Son obtenidos a través de la
refinación de alquitranes brutos, que a su vez
vienen de la destilación del carbón.

4. LIGANTES
BITUMINOSOS
ALQUITRAN
PETROLEO
ROCAS ASFALTICAS – ESQUISTOS Y ARENISCAS
NATURALES
LAGOS ASFALTICOS
SOLIDOS – OXIDADOS / SOPLADOS
SEMI SOLIDOS – CEMENTOS ASFALTICOS
PEN 60/70
PEN 85/100
PEN 120/150
LIQUIDOS
ASFALTO
DILUIDO
EMULSION
ASFALTICA
CURADO RAPIDO - RC
CURADO MEDIO - MC
CURADO LENTO - SC
CATIONICA
ANIONICA
ROTURA RAPIDA - CRS
ROTURA MEDIA - CMS
ROTURA LENTA - CSS
ROTURA CONTROLADA - CQS
PRIME - CP
ROTURA RAPIDA - RS
ROTURA MEDIA - MS
ROTURA LENTA - SS

5. ROCA DE ASFALTO
La roca de asfalto es la impregnación de asfalto y aceites en la roca caliza y arenisca
en concentraciones arriba del 12%, se utiliza en Europa desde el siglo siete y se le
daba uso en impermeabilización se extraía el aceite y se usaba como lubricante o
medicina, los depósitos más grandes de roca de asfalto se encontraron en Val de
Travers en Suiza, Scyssel en Francia y Ragusa en Italia.

6. En los estados unidos se comienza a explotar en el siglo veinte en los estados
de Utah y Kentucky, con concentraciones de bitumen en el rango de 8 a 13%,
en Utah se estima que se tiene aproximadamente 800 millones de
toneladas, cantidad de asfalto suficiente para pavimentar 23 metros de
ancho 3 veces alrededor del mundo.

7. El primer lago de asfalto descubierto
en el mundo fue el lago de Trinidad
(TLA) en 1595 por Sir Walter
Raleight y su sobrino Robert Dudley,
sin embargo ellos encontraron los
pequeños lagos ubicados en el norte
de la isla y los grandes volúmenes
están en el sur en un área
aproximada de 35 hectáreas con 90
metros de profundidad que hacen
que tenga un volumen aproximado
de mas de 10 millones de toneladas
de material
PRIMER ASFALTO – LAGO DE ASFALTO (TLA)

8. ASFALTO REFINADO DE PETRÓLEO
El asfalto refinado es fabricado a partir del crudo
de petróleo que se origina a partir de los restos
de organismos marinos y de materia vegetal
depositados por millones de años, los cuales
están atrapados dentro de los poros de las
rocas sedimentarias y cubiertos por capas
impermeables desde donde es posible
explotarlas a traves de perforaciones.

9. CRUDOS DE PETROLEO
Es una combinación de hidrocarburos de diferente peso molecular, consecutivamente de diferente rango
de ebullición. Antes esto podía ser utilizado , ahora los crudos de petróleo tienen que ser separados,
purificados, mezclados y algunas veces cambiados física o químicamente.
Su aplicación en las vías terrestres se terrestres se dio 1870 en Newark, New Jersey, cuando se construyó
el primer pavimento de asfalto en el mundo.

10. La mezcla bituminosa artificial de arena y asfalto fue usada por primera vez en Newark,
Nueva Jersey, in 1870, y en la 5ª Avenida de Nueva York en 1873, aunque su uso
extensivo se daría inicialmente en Washington en 1877. Hoy en día conocido como
pavimento asfáltico, hacia 1902 había sido ya extendido en vastísimas cantidades en
alrededor de 100 ciudades de los Estados Unidos.

11. ASFALTO REFINADO DE PETRÓLEO
El asfalto refinado comenzó a utilizarse hace casi doscientos años como sustituto del
asfalto natural debido a que este último sólo se encontraba en lugares apartados y su
reología no era tan buena. Al mismo tiempo, la industria automotriz empezó a
expandirse; fue así como se inició el uso del asfalto en la construcción de las
carreteras.
Los cuatro principales productores de petróleo del mismo son los Estados Unidos, el
Medio Oriente, Rusia y los países alrededor del caribe (Venezuela).
Los crudos de petróleo tienen diferentes propiedades físicas y químicas, físicamente
podría variar la viscosidad así como el color del crudo, químicamente ellos podrían ser
predominantemente parafínicos, naptenicos o aromáticos las combinaciones de los
dos primeros es lo más común. Existe mas de 1500 diferentes crudos producidos
alrededor del mundo, basado en el rendimiento y la calidad del producto resultante
solo unos pocos son considerados adecuados para la producción de bitumen

12. DESTILACIÓN DEL CRUDO DE PETRÓLEO
El primer proceso en la refinería es la destilación fraccional del crudo de petróleo,
esto ocurre en altas torres de acero conocidas como fraccionadores o columnas de
destilación. Al entrar a la planta de destilación del crudo es calentado a temperatura
entre 350˚C a 380˚C para producir gasolina, nafta, kerosene.
El largo residuo o destilación de las fracciones más pesadas es realizado a mas baja
presión en una columna de destilación al vacío, bajo un vacío de 10 a 100mm Hg
(26mm Hg) a temperaturas entre 350˚C a 425˚C para producir gasóleo, destilado y
corto residuo.

13. El corto residuo, es la materia prima utilizada en la fabricación de mas de 20
diferentes grados de bitumen, la viscosidad del corto residuo es una función del
origen crudo, la temperatura y presión en la columna de vacío durante el
procesamiento. Dependiendo del origen del crudo, las condiciones en la columna
son ajustados para producir un corto residuo con un rango de penetración entre 35
a 300 dmm.

14. REFINERÍA DE PETRÓLEO

16. CEMENTOS ASFÁLTICOS DE PETRÓLEO (CAPs)
Los asfaltos se producen por el refino del Petróleo en unidades de destilación primaria
y de vacío. El producto obtenido del fondo de la destilación primaria (crudo reducido)
es destilado a 26 mm Hg. de presión de vacío y alta temperatura (del orden de 700° F).
El producto obtenido por los fondos de la torre de vacío se llama “Residual Asfáltico”
o Cemento Asfáltico de Petróleo – CAP, semisólido a temperatura ambiente. Dicho
CAP es obtenido a diferentes viscosidades, las que miden su consistencia.
Son preparados especialmente por presentar cualidades y consistencias propias para
uso directo en la construcción de pavimentos asfálticos. Es ideal para aplicaciones en
trabajos de pavimentación por sus propiedades AGLUTINANTES,
IMPERMEABILIZANTES, FLEXIBILIDAD, DURABILIDAD Y ALTA RESISTENCIA A LOS
ACIDOS DE ÁLKALIS EN GENERAL.
Se clasifican de acuerdo a su consistencia medida por la viscosidad dinámica o
absoluta y por su penetración (PEN).

21. ESQUEMA DEL PROCESO DE DESTILACIÓN DEL ASFALTO

22. CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS ASFÁLTICOS DE
PETRÓLEO
Los CAP son clasificados según su penetración a 25°C (100g, 5 s),
y subdivididos en los siguientes tipos:
• CAP 40-50 → 40 a 50 dmm
• CAP 60-70 → 60 a 70 dmm
• CAP 85-100 → 85 a 100 dmm
• CAP 120-150 → 120 a 150 dmm

23. COMPOSICIÓN DEL ASFALTO
El asfalto es una compleja mezcla química de moléculas que son predominantemente
hidrocarbonosas con una pequeña cantidad de especies de estructuras analógicas
heterocíclicas y grupos funcionales que contienen azufre, nitrógeno y átomos de
oxigeno. El asfalto también contiene trazas de metales tales como vanadio, níquel,
hierro, magnesio y calcio que están en forma de sales orgánicas y óxidos.
Análisis elementales de asfaltos manufacturados de una variedad de crudos petroleros,
muestran que la mayoría de los asfaltos contienen:
• Carbono entre 82 a 88%
• Hidrogeno entre 8 a 11%
• Azufre entre 0 a 6%
• Oxigeno 0 a 1.5%
• Nitrogeno 0 a 1%
La composición precisa varía de acuerdo al origen del crudo a partir del cual se origina
el asfalto, modificación inducida por semi-soplado o soplado durante el proceso de
manufactura y envejecimiento en servicio.

24. La composición química de un bitumen es extremadamente compleja, así un análisis
completo de un asfalto (si esto fuera posible) podría ser extremadamente laborioso y
podría proporcionar una gran cantidad de información que la correlación con las
propiedades reológicas podría ser poco practica si no imposible.
Sin embargo es posible separar el bitumen en dos amplios grupos químicos llamados
asfaltenos y maltenos. Los maltenos pueden además ser subdivididos en saturados,
resinas y aromáticos, los cuatro grupos no son bien definidos y existe un traslape entre
los grupos.
Los métodos para separar los asfaltos en fracciones pueden ser clasificados como:
• Extracción de solventes
• Adsorción fina que remueve los sólidos no absorbidos de la solución por filtración.
• Cromatografía
• Destilación molecular usado en conjunto con una de las técnicas anteriores.

26. Bitumen
Elution with
Toluene/methanol
Elution with
Toluene
Elution with
n-heptane
Silica gel/alumina
chromatography
Precipitate of
asphaltenes
Filler
Aromáticos
Saturados Resinas
n-Heptane
precipitation
Solubles Insolubles

27. Son sólidos amorfos negros o marrones insolubles en n-heptano que contiene en adición
carbono, hidrogeno, algo de nitrógeno, azufre y oxígeno. Los asfáltenos son generalmente
considerados por ser materiales altamente polares y complejo aromáticos de alto peso
molecular. La mayoría de los ensayos indican que el peso molecular de los asfaltenos se
encuentran en un rango de 1000 a 100000, tienen tamaños de partícula de 5 a 30 nm y la
tasa de átomos de Hidrogeno/Carbono (H/C) alrededor de 1:1. Los asfaltenos tienen un gran
efecto sobre las características reológicas del asfalto, el incremento de asfaltenos produce
ligantes mas duros, bitúmenes más viscosos, de baja penetración, alto punto de
ablandamiento consecuentemente de alta viscosidad. Los asfaltenos constituyen del 5 al
25% de bitumen.
ASFALTENOS

28. RESINAS
Las resinas son solubles en n-heptano, como los asfaltenos son ampliamente
compuestos de hidrogeno y carbono y contienen pequeñas cantidades de nitrógeno
azufre y oxigeno, son de color marrón oscuro solido o semisólido , siendo de
naturaleza polar, ellos son altamente adhesivos. Las resinas son agentes dispersantes o
peptizantes de los asfaltenos. La proporción de resinas en los asfaltenos regula a un
grado la solución (SOL) o carácter del tipo gelatinoso (GEL) del bitumen.

29. AROMÁTICOS
Los aromáticos comprenden el compuesto napteno aromático de peso molecular más
bajo en el asfalto y presentan la mayor proporción del medio de dispersión para los
asfaltenos peptizados, ellos constituyen del 40 al 65% del total del bitumen y es un
líquido viscoso marrón oscuro. El peso molecular promedio está en el rango de 300 a
2000. Consisten en una cadena carbonosa NO polar, en el cual domina el sistema de
anillos no saturados (aromáticos) y tiene una alta habilidad disolvente para otros
hidrocarbonos de alto peso molecular

30. SATURADOS
Los saturados consisten de una cadena alifática hidrocarbonosa recta y de ramas,
estos son aceites viscosos NO polares. El peso molecular promedio esta en el rango
promedio de los aromáticos y sus componentes incluyen ceras saturadas y no
saturadas, esta fracción forma del 5 al 20% del bitumen. La figura muestra dos
diferentes estructuras saturadas.

31. CONSTITUYENTES METALICOS DEL ASFALTO
Por espectrografía se puede verificar que contienen los siguientes elementos
metálicos. Aluminio, Cromo, Hierro, Magnesio, Níquel, Plata, Tantalio, Vanadio,
Vario, Cobre, Lantanio, Manganesio, Potasio, Sodio, Estaño, Zinc, Calcio, Galio,
Plomo, Molibdeno, Silicio, Estroncio, Uranio, Zirconio.
Estos elementos ocurren principalmente en los componentes pesados no volátiles
del crudo.
Los metales predominantes presentes en la mayoría de los crudos son: sodio,
vanadio, hierro, níquel y cromo, con mayor presencia de sodio y cloruro de sodio.

32. ESTRUCTURA DEL ASFALTO
El bitumen es tradicionalmente considerado como un sistema coloidal. Compuesto
de miscelas de asfáltenos de alto peso molecular, dispersos o disueltos en un
medio aceitoso (maltenos) de bajo peso molecular.
Las miscelas son considerados asfaltenos, junto con un recubrimiento de resinas
aromáticas de alto peso molecular, los cuales actúan como un solvente
estabilizador. Desde el centro de la micela hay una transición gradual de las resinas
aromáticas menos polares , estas capas se extienden hacia el exterior del medio de
dispersión que es un aceite aromático
En presencia de suficiente cantidad de resinas y aromáticos de una adecuada
capacidad disolvente, los asfaltenos son peptizados(o disueltos) y las micelas
resultantes tienen excelente movilidad dentro del bitumen . estos son conocidos
como bitúmenes del tipo SOL y son ilustrados en la siguiente figura.

33. REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UN ASFALTO TIPO SOL

34. Si la fracción de resinas y aromáticos no está presente en la cantidad suficiente para
dispersar las micelas o tienen insuficiente poder solvente, los asfaltenos pueden asociarse
mas juntas. Esto puede conducir a una estructura irregular de paquetes abiertos de
micelas unidas en las que el vacío interno se llena con un fluido intermicelar de
constitución mixta. Estos son conocidos como bitúmenes del tipo GEL

35. La mayoría de los asfaltos tiene un carácter intermedio.
El comportamiento coloidal de los asfaltenos en el asfalto resulta de la agregación y
solvatación. El grado en el que ellos puedan ser disueltos tiene una considerable
influencia en la viscosidad del sistema.
La viscosidad de los saturados, aromáticos y resinas depende de su distribución y
peso molecular, los que tienen alto peso molecular tendrán viscosidad alta.
Los maltenos imparten una viscosidad inherente al asfalto que es incrementado
por la presencia de la fase dispersante (asfaltenos). La fracción de saturados decrece
con la habilidad que tienen los maltenos de disolver los asfaltenos.

36. RELACIÓN ENTRE LA COMPOSICION QUIMICA Y LAS
PROPIEDADES FISICAS
Se han llevado a cabo ensayos a escala real en carreteras a largo plazo para
determinar si la composición química del asfalto cambia con el tiempo, usando un
rango completo de condiciones prácticas, diferentes tipos de mezclas, agregados y
contenidos de asfalto.
El mayor cambio en la viscosidad está asociado con los procesos de mezcla y
colocación, los cambios en la viscosidad después de esta etapa son pequeños con el
transcurso del tiempo. Con respeto a la composición química, el contenido de los
asfáltenos se incrementa con la mezcla y compactación y luego muestra un
gradual incremento con el tiempo. El contenido de resinas y aromáticos baja con
el tiempo. Sin embargo pequeños cambios fueron esperados en el contenido de
saturados

37. CAMBIOS EN LA COMPOSICION DURANTE MEZCLA
Y VIDA DE SERVICIO

38. PRINCIPALES ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS
CEMENTOS ASFÁLTICOS DE PETRÓLEO
 PENETRACIÓN
 ESPUMA
 DENSIDAD
 SOLUBILIDAD EN TRICLOROETILENO
 PUNTO DE INFLAMACIÓN
 DUCTILIDAD
 PUNTO DE ABLANDAMIENTO
 ENSAYO DE OLIENSIS (*)
 EFECTO DEL CALOR Y DEL AIRE
 VISCOSIDAD ABSOLUTA
 VISCOSIDAD CINEMÁTICA
 VISCOSIDAD BROOKFIELD

39. PENETRACIÓN
Consiste en la penetración de una aguja,
cuyo conjunto tiene una carga patrón
(100g), en una muestra de asfalto a una
temperatura patrón (25°C), por un
intervalo de tiempo fijado (5s).
El resultado del ensayo por si solo no
consigue caracterizar perfectamente un
CAP, sin embargo da una idea de la
“dureza” del CAP.
Es utilizado en conjunto con el punto de
ablandamiento para la determinación del
índice de susceptibilidad térmica. (realizar
3 veces)

40. ESPUMA :
Utilizado para verificar la existencia de agua en el CAP.
La presencia de agua es peligrosa durante el calentamiento pudiendo
causar accidentes. (No muy usual)
DENSIDAD :
Utilizado para transformar unidades gravimétricas en volumétricas y
también para cálculo de la densidad teórica y del volumen de vacíos.
(Usado para el diseño de mezclas asfálticas)
SOLUBILIDAD EN TRICLOROETILENO:
Utilizado para verificar la pureza del CAP. un modo de verificar si hubo
contaminación. (Cantidad de solubles)

41. PUNTO DE INFLAMACIÓN
Este ensayo es un indicador de Prevención
de incendio. Indica la temperatura a la
cual los vapores emanados durante el
calentamiento del CAP se inflaman en
contacto con una llama. (Seguridad en la
planta de asfalto).

42. DUCTILIDAD
Es la propiedad del material de
soportar grandes deformaciones
sin ruptura, este ensayo consiste
en determinar cuanto puede ser
estirada una determinada
muestra de CAP cuando es
traccionado a 25°C a una
velocidad de 5 cm/minuto

43. PUNTO DE ABLANDAMIENTO
Tiene la finalidad de establecer una temperatura de referencia, similar a la
temperatura de fusión de los materiales. Los CAPs en sus respectivas temperaturas
de Punto de ablandamiento tienen, aproximadamente, misma penetración.

44. ÍNDICE DE PENETRACIÓN
Estudios experimentales han demostrado que la variación de la penetración con la
temperatura de un CAP es una línea recta en un sistema semilogarítmico. El coeficiente
angular de esta recta (pendiente) traduce la SUCEPTIBILIDAD TERMICA en términos de
PENETRACIÓN.
Pfiffer y Van Doormal la han llamado índice de penetración (IP) y su ecuación de la recta es
que esta en función de: Penetración a 25°C y el punto de ablandamiento.
𝑰𝑷 = 20 − 10
50𝑙𝑜𝑔800
𝑃25°𝑐
𝑇 𝑃. 𝐴𝐵. −25
(50𝑙𝑜𝑔800/𝑃25°𝑐)
𝑇 𝑃. 𝐴𝐵. −25
+ 1
Normalmente se limita al IP entre +2 y -2 (0.5 – 1.5) Perú
Valores mayores que +2 corresponden a asfaltos poco susceptibles y que
presentan elasticidad, y valores menores que -2 son relacionados a asfaltos
muy susceptibles y con comportamiento viscoso.

45. Al relacionar dos datos de penetración a dos temperaturas diferentes, se puede
obtener la susceptibilidad térmica del asfalto mediante el siguiente grafico de
Heukelom

46. ENSAYO DE OLIENSIS: o spot test (ensayo de la mancha)
Tiene la finalidad de verificar si hubo
sobrecalentamiento durante la
fabricación o transporte, con
consecuente craqueamiento. Consiste en
disolver una pequeña cantidad de CAP en
nafta, en baño-maria y después de un
determinado tiempo, gotear una gota de
la solución en un papel filtro. Si la gota
tiene un aspecto homogéneo en
coloración, el ensayo es negativo. caso
contrario (centro de la mancha es negro),
es positivo.

47. EFECTO DEL CALOR Y DEL AIRE
Da una idea del envejecimiento del CAP durante la mezcla en la planta de asfalto y durante
su vida en servicio. Consiste en el calentamiento, en horno ventilado, de una muestra de
CAP (película fina) por un determinado tiempo. Después de esto se mide la variación de
peso y la penetración en relación al CAP original.

48. VISCOSÍDAD ABSOLUTA
Es la relación entre la tensión de corte
aplicada y la velocidad de distorsión de
un líquido viscoso colocado entre dos
placas paralelas. Es medida en poise
(g/cm.s)
VISCOSÍDAD CINEMÁTICA
Es la viscosidad absoluta dividida por la
masa específica del líquido. Es
expresada en Stokes (cm2/s)

49. VISCOSÍDAD BROOKFIELD (ABSOLUTA)
Es la relación entre la tensión de corte aplicada y la velocidad de distorsión de un
líquido viscoso colocado entre dos placas paralelas. es medida en centi Poise (cP).

50. CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS CEMENTOS ASFALTICOS DE
PETROLEO

51. GRACIAS