Este documento presenta los avances de un estudio sobre el cambio en el comportamiento reológico de tres emulsiones asfálticas sometidas a condiciones controladas de curado. Se analizó el módulo dinámico de las emulsiones a diferentes temperaturas y tiempos de curado, encontrando que su variación sigue un modelo logarítmico. El estudio proporciona una mejor comprensión del proceso de ruptura y curado de las emulsiones asfálticas.
La incineración en lecho fluidizado ha demostrado ser una
de las tecnologías más eficientes y adecuadas para la incineración
de residuos lignocelulósicos que por razones higiénicas
y ambientales no pueden ser reciclados o reutilizados. En este
estudio se analizan los aspectos fluidodinámicos de un prototipo
experimental de incineración para examinar el desempeño de
cuatro modelos bidimensionales en estado no estacionario, representando
a un sistema gas-sólido para las interacciones entre
el aire necesario para la combustión y la arena empleada como
promotor de la transferencia de masa y de calor. Los modelos
examinados fueron definidos de acuerdo al régimen de flujo
(laminar y turbulento) y a la temperatura del sistema (temperatura
ambiente y temperatura de reacción). Los resultados indican
que el prototipo experimental se comporta como un lecho
burbujeante en régimen laminar y de tipo slugging en régimen
turbulento. Por otra parte, los patrones de flujo de la velocidad
demostraron que el sistema en ambos regímenes se comporta
como un tanque perfectamente mezclado, debido a que el aire
coadyuva en el mezclado turbulento. En el futuro se incluirá
la cinética química de la combustión de residuos en el modelo
CFD, lo que permitirá sugerir cambios al diseño original
mejorando aspectos que impactan en el desempeño global del
incinerador tales como la fluidización, el intercambio de masa
y energía, y la pérdida del material inerte por arrastre.
3. Resumen
El uso de emulsiones asfálticas representa una
alternativa ecológica y económica para la
construcción y conservación de caminos. Sin
embargo, los métodos utilizados actualmente
para clasificar y caracterizar el proceso de
rompimiento y curado de las emulsiones no
reflejan la realidad de lo que ocurre en campo.
En este trabajo se presentan los avances de
un estudio acerca del cambio en el
comportamiento reológico de tres emulsiones
asfálticas al ser sometidas a condiciones
controladas de curado.
5. Introducción
Las emulsiones son sistemas termodinámicamente
inestables. Las emulsiones asfálticas son
diseñadas para romper dentro de un periodo de
tiempo deseado.
6. Introducción
Las dos principales fuerzas que interactúan en
una emulsión asfáltica son la repulsión
electrostática y las fuerzas de atracción de van
der Waals.
10. Estado del arte
Authors
Year
Contribution
Presentaron técnicas de análisis de imagen como una
alternativa para caracterizar el proceso de ruptura de las
RodríguezValverde, et 2008 emulsiones asfálticas. Esto por medio de histogramas de color
y mediciones de la forma y de una gota de emulsión.
al.
Estudiaron la estabilidad de emulsiones de asfalto durante su
almacenamiento, al ser sometidas a agitación y a ciclos de
hielo-deshielo usando difracción de rayo láser. Observaron
Yunpeng, et
2012 los cambios en los tamaños de las gotas de asfalto a
al.
diferentes tiempos y temperaturas.
Modelaron el efecto de los factores ambientales en la pérdida
de agua causada por evaporación de emulsiones usadas en
Andre de
Fortier
2012 riegos de sello usando la técnica de TGA para medir la
velocidad de evaporación del agua.
Smit, et al.
Presentaron un resumen del estado del arte y el desarrollo
Thomas A.
2012 de un nuevo método de maduració para caracterizar mezclas
Doyle, et al.
frías.
11. Estado del arte
Authors
Year
Contribution
Propusieron un nuevo método para caracterizar la ruptura de
emulsiones asfálticas usando una técnica electrocinética.
Ambarish
Banerjee, et 2008 Utilizaron una configuración similar a la usada en la prueba de
determinación de carga de partícula.
al.
Wang
Fazhou,
al.
Estudiaron el efecto de la hidratación del cemento en la
estabilidad de emulsiones asfálticas. Midieron el potencial
et 2012 zeta, el tamaño de los glóbulos de asfalto y observaron los
cambios en la microestructura a través del tiempo al añadir
diferentes cantidades de cemento.
En la literatura reciente podemos encontrar
diferentes estudios y métodos propuestos para
entender y caracterizar la ruptura de emulsiones
de asfalto.
14. Desarrollo Experimental
Moldes de
caucho silicón
Aprox. 2.3g
de emulsión
30, 40 y 50°C
Cada 24h
Iniciar Ensayos
0.01 a 40Hz
0.01% strain, a 30,
40 y 50°C
Enrasar
Ajustar la altura
19. Resultados
y = a − b(ln x + c )
ECL60-90P
R2=0.9201
ln G* = ln G* final + 0.2398(ln tcurado − 0.9962)
ECL60-90PL
R2=0.8877
ln G* = ln G* final + 0.4286(ln tcurado − 0.9740)
ECL60-90PS
R2=0.8420
ln G* = ln G* final + 0.6151(ln tcurado − 0.8604)
20. Conclusiones
-La variación del módulo dinámico de las tres
emulsiones presenta una buena correlación con
el siguiente modelo logarítmico:
y = a − b(ln x + c ) ln G* = ln G* final − b(ln tcurado + c)
-La variable a se identificó como el máximo valor
alcanzable del logartimo natural del módulo
dinámico: a=lnG*final
-Las variables b y c parecen ser independientes
de cada emulsión y no muestran variación
significativa con respecto a las frecuencias
analizadas.
21. Trabajo futuro
-Analizar los resultados faltantes para las
temperaturas de curado de 40 y 50°C.
-Analizar emulsiones con diferentes tipos de
asfalto, emulsificantes, polímeros, etc..
-Complementar usando otras técnicas como
microscopía óptica para observar el cambio en
la microestructura y/o difracción de rayo láser.
22. Agradecimientos
Agradecemos a la Secretaría de Comunicaciones
y Transportes y a la empresa Proyectos Asesoría
y Control de Calidad de Obras Civiles S. A. de C.
V. por proporcionarnos acceso a sus equipos e
instalaciones
El presente trabajo es producto de la colaboración de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y el Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología de la Universidad Autónoma de Nuevo León y la empresa Sem Materials México
En el 2010 México ocupó el tercer lugar en consumo mundial de emulsiones asfálticas. Somos un país que destina un porcentaje considerable de asfalto para ser usado como emulsión
La estabilidad de las emulsiones asfálticas está dada por las interacciones de repulsión electrostática, estas ayudan a que las emulsiones no rompan antes del tiempo deseado. Estas interacciones de repulsión son generadas por la carga superficial que el emulsionante confiere a los glóbulos de asfalto. Mientras que las fuerzas de van der Waals son fuerzas de atracción que existen inherentemente entre dos moléculas.
Para que el proceso de ruptura de una emulsión se desarrolle, se requiere que las fuerzas de atracción de van der Waals superen a las de repulsión electrostática y así generar que dos glóbulos de asfalto coagulen. En el gráfico se muestra la energía de interacción entre compuesta por la repulsión electrostática y la atracción de van der Waals que experimentan dos glóbulos de asfalto de un mismo tamaño en una emulsión con respecto a la distancia que los separa.
Existen diferentes procesos por los que una emulsión puede romper. Estos procesos normalmente ocurren de manera simultánea, lo que dificulta le análisis de la ruptura.
Sin embargo, se han identificado dos vías generales por las que una emulsión asfáltica puede romper. Una que es regida por la reactividad del emulsionante con la superficie de los agregados pétreos que genera una disminución en la carga superficial de los glóbulos y por tanto una disminución en las interacciones de repulsión electrostática. Esto desestabiliza a la emulsión, generando que los glóbulos de asfalto coagulen formando una estructura de red tridimensional. Posteriormente este gel se contrae para disminuir el área de contacto entre el agua y el asfalto y genera una película continua de ligante. La segunda vía es regida por la evaporación del agua de la emulsión, lo que genera que los glóbulos de asfalto se acerquen unos a otros y formen una estructura compacta hasta que la concentración de asfalto es tan alta y la distancia interglóbulos tan corta que las interacciones de atracción de van der Waals superan a las de repulsión provocando la ruptura de la emulsión y formando la película de ligante. Este proceso es más común en emulsiones de ruptura lenta por su alta estabilidad.