Ensayos y clasificación de asfaltos para carreteras

Asfaltos
Instituto de Ensayo de Materiales
Departamento de Aglomerantes,Agregados y Hormigones
abril de 2009
1
Ing. Ramiro Rodríguez Buño
ramrod@ﬁng.edu.uy

Contenido
1. Introducción
2. Importancia del asfalto en las carreteras
3. Clasiﬁcación de asfaltos
4. Ensayos
5. Utilización
6. Producción de mezclas asfálticas
7. Aplicaciones
2

1. Introducción
Deﬁnición de asfalto
• material termoplástico y aglomerante, compuesto por una mezcla de
hidrocarburos
- de color negro a pardo oscuro
- se licúan gradualmente al calentarse
- componentes predominantes son betunes:
‣ naturales en forma sólida o semisólida
‣ se obtienen como material residual de la destilación del petróleo
‣ combinaciones de estos entre sí o con el petróleo
‣ productos derivados de estas combinaciones
4

1. Introducción
Destilación del petróleo
• GLP
• Nafta
• Keroseno
• Gasoil
• Aceites y bases para lubricantes
• Fuel oil
• Asfalto (entre 10 y 70%, de acuerdo a su origen)
5
0
0.25
0.50
0.75
1.00
Venezuela Arabia Saudita Nigeria
1%
27%
58%
30%
28%
26%
16%
10%
7%
20%
14%
6%
33%
21%
3%
Gasolina
Keroseno
Gas Oil Liviano
Gas Oil Pesado
Asfalto Residual

1. Introducción
Graduación API para Petróleo Crudo
• El Instituto Americano del Petróleo (API) clasiﬁca los crudos según su
graduación API
- A mayor graduación API, disminuye la cantidad de asfalto
- expresión arbitraria sobre la densidad del crudo a 15,5C (60F)
6
141,5
API = - 131,5
peso especíﬁco

1. Introducción
Graduación API para Petróleo Crudo
7
Crudo Graduación API
Extraligeros >39
Ligeros 31 - 39
Medios 22 - 31
Pesados 10 - 22
Extrapesados < 10
Sustancia Graduación API
Agua 10
Asfalto 5 - 10
Gasolina 55
Crudo de API bajo < 25
Crudo de API alto > 25

2. Importancia del
asfalto en las carreteras
8

2. Importancia del
asfalto en las carreteras
• Longitud de la red vial
nacional por tipo de
pavimento
9
Tipo de pavimento
Longitud
(km)
%
Hormigón 337 4
Cemento asfáltico 3.111 36
Tratamiento bituminoso 4.224 49
Tosca 1.024 12
Total 8.696 100

AsfaltoVs Pórtland
• Especiﬁcación de diseño
• Costos de construcción
- Tiempos de trabajo y habilitación
- Costos de producción
• Costos de Mantenimiento
- Tiempos de reparaciones
• Vida útil
• Confort y niveles de servicio
10

AsfaltoVs Portland
12
0
125
250
375
500
Dec-03 Jun-04 Dec-04 Jun-05 Dec-05 Jun-06 Dec-06 Jun-07 Dec-07 Jun-08 Dec-08
Portland Asfalto Petroleo Dolar

3. Clasiﬁcación de
asfaltos
13

14
Tipo de asfalto Características
De petróleo
Obtenido de la destilación del crudo de
petróleo
En polvo Sólido o duro molido
Fillerizado
Contiene materiales minerales ﬁnamente
molidas que pasan por el tamiz 200
Líquido
Consistencia blanda o líquida para el cual
no es aplicable el ensayo de penetración
(> 300)

Asfaltos líquidos
• El betún asfáltico ha sido fluidificado mezclándolo con disolventes de petróleo
15
Tipo de asfalto fluidificado Composición
RC - Asfalto de curado rápido Betún asfáltico + disolvente volátil (nafta)
MC - Asfalto de curado medio Betún asfáltico + disolvente de volatilidad media
(queroseno)
SC - Asfalto de curado lento Betún asfáltico + aceites poco volátiles
Ej: Road Oil (fracción pesada del petróleo)
Asfalto emulsificado Agua + betún asfáltico + agentes emulsificantes
Sistema heterogéneo
Emulsión asfáltica inversa Betún asfáltico + agua + agentes emulsificantes
Sistema heterogéneo

Asfaltos comercializados en Uruguay
16
Cementos asfálticos
AC 20 (viscosidad a 60C)
Cementos asfálticos
150-200 (penetración a 25C
Diluídos asfálticos
RC 2
Diluídos asfálticos
MC 1
Emulsión catiónica rápida

4. Ensayos
1. Penetración
2. Viscosidad
3. Punto de reblandecimiento
4. Punto de inﬂamación
5. Ensayo en estufa de película delgada
6. Ductilidad
7. Solubilidad
8. Peso especíﬁco
9. Pérdida por calentamiento
18

4. Ensayos
1 . Pe n e t r a c i ó n
ASTM D 5
• U n a d e l a s p ro p i e d a d e s m á s
importantes de los asfaltos
• Se determina la dureza o consistencia
de un cemento asfáltico
• Instituto del Asfalto ha adoptado cuatro
grados de betunes asfálticos para su uso
en pavimentación, dentro de los
siguientes márgenes 60-70, 85-100,
120-150 y 200-300
19

4. Ensayos
2. Viscosidad ASTM
D 88
• Se busca determinar el estado de
ﬂ u i d e z d e l o s a s f a l t o s a l a s
temperaturas que se emplean durante
su aplicación (60C y 135C).
• E n s ayo S ay b o l t F u ro l s e u s a
normalmente para asfaltos diluidos y
emulsiones se determina el tiempo en
segundos necesarios para que escurran
60 cm3 de material a una temperatura
preﬁjada.
20

4. Ensayos
2.Viscosidad
• ASTM D 3381 - Graduación de asfaltos
21
Graduación Viscosidad @ 60C (poise)
AC 2.5 250
AC 5 500
AC 10 1000
AC 20 2000
AC 30 3000
AC 40 4000

4. Ensayos
3. Punto de reblandecimiento ASTM D 36
• El punto de reblandecimiento se determina usualmente por el método de ensayo arbitrario
de anillo y bola.
• Se emplea frecuentemente para caracterizar los materiales más duros empleados en otras
aplicaciones indica la temperatura a que estos asfaltos se hacen fluidos.
• Consiste en llenar de asfalto fluido un anillo de latón de dimensiones normalizadas. La
muestra así preparada se suspende en un baño de agua y sobre el centro de la muestra se
sitúa una bola de acero de dimensiones y peso especificados.
• A continuación se calienta el baño a una velocidad determinada y se anota la temperatura en
el momento en que la bola de acero toca el fondo del vaso de cristal.
22

4. Ensayos
3. Punto de reblandecimiento ASTM D 36
23

4. Ensayos
4. Punto de inflamación ASTM D
92
• Los asfalto cuando son sometidos a temperaturas suficientemente
elevadas, desprenden vapores que se inflaman en presencia de una
chispa o llama.
• Las temperaturas de operación de asfaltos durante el mezclado en
planta son menores que las temperaturas de inflamación. Para tener
la certeza de que esto sea así se debe determinar el punto de
inflamación.
• Este punto de inflamación indica la temperatura a la cual un asfalto
puede ser calentado con seguridad, sin que se produzca una
inflamación instantánea en presencia de llama.
• Se coloca la muestra en el vaso de Cleveland, y se calienta
gradualmente, aplicando a intervalos determinados una pequeña
llama sobre la superficie de la muestra.
• La temperatura más baja a la cual los vapores producidos por el
calentamiento se inflaman, es tomada como punto de inflamación.24

4. Ensayos
5. Estufa de película delgada ASTM D 1754
• Se emplea para prever el endurecimiento que puede esperarse que se produzca en un betún
asfáltico durante las operaciones de mezclado en la instalación mezcladora.
• Esta tendencia al endurecimiento se mide por ensayos de penetración realizados antes y
después del tratamiento en estufa.
• Se expresa la penetración del betún asfáltico después del tratamiento en estufa como
porcentaje de la penetración antes del tratamiento.
• Las especiﬁcaciones prescriben valores mínimos para el porcentaje de penetración de
retenido, que varían para los diferentes tipos de betunes.
• Este ensayo se realiza colocando una muestra de 50g de betún asfáltico en un recipiente
cilíndrico normalizado, obteniéndose de esta manera una probeta de asfalto un espesor
aproximado a 3 mm.
• El recipiente con la probeta se coloca en un soporte giratorio en un horno bien ventilado y
se mantiene a una temperatura de 165C durante 5 horas. Después se vierte el betún en un
recipiente normal de los empleados en el ensayo de penetración.
25

4. Ensayos
5. Estufa de película delgada ASTM D 1754
26

4. Ensayos
6. Ductilidad ASTM D 113
• La ductilidad se expresa como la distancia a la cual una probeta de asfalto pueda ser estirada
antes de que el hilo formado rompa bajo las condiciones especiﬁcadas del ensayo.
• Se realiza a 25C y a una velocidad de estiramiento de 5cm/min.
• Una cierta ductilidad es necesaria en los asfaltos debido a que las superﬁcies asfálticas
• son sometidas a cambios de temperaturas las cuales producen expansión y contracción.
• En los asfaltos blandos (de baja consistencia), no se alcanza a sobrepasar la fuerza de cohesión
y el resultado es una alta ductilidad, por el contrario, en los asfaltos duros la tensión aplicada
se hace rápidamente mayor que la cohesión, produciéndose el corte y el resultado es una baja
ductilidad.
• En la actualidad se ha comprobado que existen grandes discrepancias entre el valor de la
ductilidad tal cual se determina en el ensayo y el comportamiento del asfalto en el pavimento.
27

4. Ensayos
6. Ductilidad ASTM D 113
28

4. Ensayos
7. Solubilidad ASTM D 2042
• Se determina la pureza del betún asfáltico
• La porción de betún asfáltico soluble en sulfuro de carbono esta constituida por los
elementos aglomerantes activos.
• La mayor parte de los betunes asfálticos se disuelven en igual proporción en sulfuro de
carbono y tetracloruro de carbono.
• Como el tetracloruro de carbono no es inﬂamable, es el disolvente preferido en la mayor
parte de los casos.
• La determinación de la solubilidad es sencillamente un proceso de disolución del betún
asfáltico en un disolvente separando la materia insoluble.
29

4. Ensayos
8. Peso especíﬁco
• El conocimiento del peso especiﬁco es útil para hacer las correcciones de volumen cuando
éste se mide a temperaturas elevadas.
• Se emplea también como uno de los factores para la determinación de los huecos en las
mezclas asfálticas para pavimentación compactada.
30

4. Ensayos
• Se busca establecer los cambios que sufren los asfaltos por el calentamiento a temperatura
elevada, determinando la pérdida en peso de componentes volátiles y el aumento de
consistencia como consecuencia de la alteración.
• La alteración de los asfaltos por calentamiento se produce bajo circunstancias bien deﬁnidas
• Durante el almacenaje caliente por un tiempo prolongado, en tanques de la usina asfáltica
• Durante la fabricación de la mezcla asfáltica
31

4. Ensayos
• Se coloca una muestra de asfalto en una cápsula y la cantidad de asfalto se pesa al 0,01 g.
• La muestra se coloca en un plato que gira de 5 a 6 rpm, que es encuentra en una estufa y se
la mantiene durante 5 horas a 163C, transcurrido ese tiempo y una vez fría la cápsula se la
pesa nuevamente, determinando el porcentaje de material perdido por evaporación.
• Durante la fabricación de la mezcla asfáltica, proceso de corta duración, pero crítico, en razón
de la elevada temperatura y el pequeño espesor de la película de asfalto que recubre los
agregados, el asfalto sufre una alteración irreversible, por la pérdida de los compuestos
volátiles y absorción de ciertos componentes por parte de los agregados.
• se produce un endurecimiento del asfalto, por lo tanto un control no adecuado puede
provocar mayor daño por endurecimiento del asfalto
32

5. Utilización
Cemento asfáltico AC-20
• Materiales altamente viscosos o casi sólidos, con propiedades adhesivas e impermeables y
cuya consistencia disminuye al ser calentado.
• Provienen de la destilación del petróleo.
• Este tipo de asfalto se especiﬁca por su viscosidad cinemática a 60C.
34
Funciones
Material altamente impermeable, duradero, altamente resistente a ácidos, bases y
sales. Es un material termoplástico, cuya viscosidad disminuye al calentarse. Puede
ser fácilmente disuelto con solventes y emulsionado con agua
Aplicaciones Se aplica en pavimentación
Beneﬁcios
Se debe aplicar en caliente, ya que es un material termoplástico, y su consistencia
disminuye con la temperatura. A temperatura ambiente es un sólido. Se
comercializa a granel a través de la planta La Teja de distribución de Ancap

5. Utilización
Cemento asfáltico AC-20
35
Determinaciones
EspecificacionesEspecificaciones Método de
EnsayoDeterminaciones Min Máx
Método de
Ensayo
Viscosidad a 60C (P) 1600 2400 ASTM D 4402 o
ASTM D 2171
Viscosidad a 135C (cSt) 300 ASTM D 2170
Penetración 25C, 100g, 5s (1/10mm) 40 ASTM D 5
Punto de Inflamación COC (C) 232 ASTM D 92
Indice de Penetración de Pfeiffer -1.5 0.5
Ensayo de la mancha con Heptano/Xilol (%Xilol) 25 AASHTO T 102
Solubilidad en Tricloroetileno (%) 99.0 ASTM D 2042
Efecto del calor y el aire en un film asfáltico en movimiento a 163C
Ductilidad a 25C, 5cm/min (cm) 50 ASTM D 113
Viscosidad a 135C (P) 8000 ASTM D 4402 o
ASTM D 2171

5. Utilización
Cemento asfáltico AC 150-200
• Materiales altamente viscosos o casi sólidos, con propiedades adhesivas e impermeables y
cuya consistencia disminuye al ser calentado.
• Provienen de la destilación del petróleo.
• Este tipo de asfalto se especiﬁca por su penetración a 25C
36
Funciones
sales. Es un material termoplástico, cuya viscosidad disminuye al calentarse. Puede
ser fácilmente disuelto con solventes y emulsionado con agua
Aplicaciones Se aplica en pavimentación
Beneﬁcios
Se debe aplicar en caliente, ya que es un material termoplástico, y su consistencia
disminuye con la temperatura. A temperatura ambiente es un sólido. Se
comercializa a granel a través de la planta La Teja de distribución de Ancap

5. Utilización
Cemento asfáltico AC 150-200
37
Determinaciones
EspecificacionesEspecificaciones
Método
de Ensayo
Determinaciones
Min Máx
Método
de Ensayo
Penetración a 25C, 100g, 5s (1/10mm) 150 200 ASTM D 5
Punto de inflamación COC (C) 218 ASTM D 92
Efecto del calor y el aire en un film asfáltico en movimiento a 163C ASTM D 2872
% de la penetración inicial 37 ASTM D 2872
Cambio de masa (%) -1 1 ASTM D 1754
Solubilidad en tricloroetileno (%) 99.0 ASTM D 2042

5. Utilización
MC 1
• Material líquido con propiedades adhesivas e impermeables, es una mezcla de solvente con
cementos asfálticos.
38
Funciones
sales. El poder cohesivo se logra cuando se evapora el solvente que se le agregó
al cemento asfáltico. Tiene una menor viscosidad que el Cemento Asfáltico
permitiendo su aplicación en frío. Tiene una viscosidad comprendida entre 60 y
120 cSt a 50C. Los agregado pétreos utilizados en la mezcla asfáltica no tienen
porque estar secos. Existen diferentes asfaltos diluidos, según la volatilidad del
solvente utilizado respondiendo a los distintos tipos de aplicación en que han de
ser utilizados. Este asfalto diluido se denomina de curado medio en razón de la
volatilidad del solvente utilizado.
Aplicaciones
Se emplean en imprimación de bases. Estos diluidos tienen un endurecimiento
lento, para permitir que el material penetre lentamente en la base y actúe
posteriormente como mordiente entre la base y la carpeta de rozamiento
Beneﬁcios Se aplica en frío

5. Utilización
MC 1
39
Determinaciones EspecificacionesEspecificaciones Método de EnsayoDeterminaciones
Min Máx
Método de Ensayo
Punto de inflamación Tag (C) 38 ASTM D 3143
Viscosidad cinemática @ 50C (cSt) 125 254 ASTM D 2170
oViscosidad Saybolt Furol @ 50C (s) 60 120 ASTM D 88
Destilación ASTM D 402
% en volumen destilado @ 360C
a 225C 20
a 260C 20 60
a 315C 65 90
Residuo de destilación a 360C (% en vol) 55
Ensayo en residuo de destilación
Penetración @ 25C, 100g, 5s (1/10mm) 120 250 ASTM D 5
Ductilidad @ 25C, 5cm/min (cm) 100 ASTM D 113
Ensayo de la mancha con Heptanol/Xilol (%Xilol) 20 AASHTO T 102
Agua (% en vol) 0.2 ASTM D 95

5. Utilización
RC 2
• Material líquido con propiedades adhesivas e impermeables, es una mezcla de solvente con
cementos asfálticos.
40
Funciones
El poder cohesivo se logra cuando se evapora el solvente que se le agregó al
cemento asfáltico. Este presenta un periodo de endurecimiento rápido, de modo
que en 24-72 horas, el ligante asfáltico desarrolla su propiedades cohesivas, para
permitir una adecuada compactación y una segunda fase de curado mas lenta
permita la densificación de la mezcla por el transito. Existen diferentes asfaltos
diluidos, según la volatilidad del solvente utilizado respondiendo a los distintos
tipos de aplicación en que han de ser utilizados. Este asfalto diluido se denomina
de curado rápido en razón de la volatilidad del solvente utilizado.
Aplicaciones
Premezclados (mezcla en planta asfáltica o en sitio). Riegos en tratamientos
superficiales. Sellados. Estabilización de suelos arenosos
Beneficios Se aplica en frío

5. Utilización
RC 2
41
Determinaciones EspecificacionesEspecificaciones Método de EnsayoDeterminaciones
Min Máx
Método de Ensayo
Punto de inflamación Tag (C) 27 ASTM D 3143
Viscosidad cinemática @ 50C (cSt) 270 470 ASTM D 2170
oViscosidad Saybolt Furol @ 50C (s) 125 250 ASTM D 88
Destilación ASTM D 402
% en volumen destilado @ 360C
a 225C 35
a 260C 60
a 315C 80
Residuo de destilación a 360C (% en vol) 65
Ensayo en residuo de destilación
Ensayo de la mancha con Heptanol/Xilol (%Xilol) 20 AASHTO T 102
Agua (% en vol) 0.2 ASTM D 95

5. Utilización
Emulsión catiónica
• Material líquido con propiedades adhesivas e impermeables, es una dispersión de asfalto en
agua
42
Funciones
Material altamente impermeable y duradero. Es un líquido a temperatura
ambiente, el poder cohesivo se logra cuando se evapora el agua del cemento
asfáltico.
Aplicaciones
En pavimentación, en tratamientos superﬁciales para la realización de carpetas de
rozamiento de baja intensidad de transito. Riego de liga, riego de imprimación y
riego antipolvo. En impermeabilización de techos, pisos, cañerías, etc.
Beneﬁcios
Se aplica en frío. Es menos contaminante que el asfalto diluido, ya que se evapora
agua en vez de solvente a la atmósfera.

5. Utilización
Emulsión catiónica
43
Determinaciones
EspeciﬁcacionesEspeciﬁcaciones Método de EnsayoDeterminaciones
Min Máx
Método de Ensayo
Viscosidad Saybolt Furol @ 25C (s) 20 100 ASTM D 88
Asentamiento 5 días 5 ASTM D 244
Habilidad para recubrir y Resistencia al agua
Agua
agregado seco BuenoBueno ASTM D 244
agregado húmedo AceptableAceptable ASTM D 244
Después de regado AceptableAceptable ASTM D 244
Ensayo del tamiz (%) 0.10 ASTM D 244
Residuo por destilación (%) 55 ASTM D 244
Ensayo sobre el residuo de destilación
Cenizas (% en peso) 2.0 ASTM D 482

6. Producción de mezclas
asfálticas
44

Diagrama de control para producción de
mezcla asfáltica
46
Tolvas Quemador
Depósito de
asfalto
Filtros
Mezclador

48
Tolvas
• El proceso comienza colocando los cuatro tipos de agregados necesarios para la
producción de la mezcla (agregado grueso, medio, ﬁno y arena) en las tolvas.
• Debajo de cada una de ellas hay una balanza que mide la dosiﬁcación, predeterminada de
cada uno de los agregados que necesita la mezcla asfáltica.

49
Quemador
• Los agregados que caen de las tolvas son transportados mediante una cinta que los lleva
a un cilindro giratorio (quemador) donde van hacer mezclados y secados. Este proceso
se realiza a contra ﬂujo es decir los agregados entran por una boca en una dirección y el
ﬂujo de calor se realiza en dirección contraria.

50
Mezclador
• Mezclado de agregados ya secos, el material recuperado y el asfalto.
• Las aspas colaboran con el mezclado de los materiales

51
Filtro
• Recupera los ﬁnos que se van con los gases expulsados en el secador
• Los ﬁnos quedan retenidos en las telas.
• Mediante una inyección de aire y un tornillo sinfín son reingresados al proceso

52
Carga del camión y toma de muestras
• De la producción diaria, se toman dos muestras para realizar los ensayos
correspondientes
!!

!
Camión regador de asfalto
53

!
Tramo en construcción con desnivel
54

!
Tratamiento bituminoso doble en
banquina
55

Probetas y testigos de asfalto
56
!!

Mezcla asfáltica para ensayo de contenido
de asfalto (antes y después)
57
!!

Extracción de asfalto para ensayo de
viscosidad
58
!!

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