aplicaciones del asfalto ac-5

APLICACIONES DEL ASFALTO AC-5
Ing. Leonardo Manríquez Olmos
Ing. Edmundo Reyes Tenorio Lara
M. en C. Enrique Aguilar Rodríguez
INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO
Dr. Miguel A. Leiva y Nuncio
Ing. Fernando Estrada Martínez
PEMEX – REFINACIÓN
Resumen
Las principales desventajas técnicas que presentan los asfaltos fraguados (cutback) en la
construcción de carreteras es la contaminación ambiental, aunado a que las pruebas de
calidad de penetración y de temperatura de ablandamiento en los asfaltos grado penetración
son empíricas no correlacionables directamente con el manejo, transporte, almacenamiento,
proceso y a la funcionalidad en las diferentes etapas del servicio del asfalto. Por estos
inconvenientes a nivel mundial, sobre todo en países altamente industrializados su
tendencia es desaparecer del mercado. En este sentido Pemex – Refinación con la finalidad
de estar a la vanguardia en productos de alta calidad, en Junio de 1996 deja de producir
este tipo de asfaltos. Actualmente solo se producen los asfaltos AC-20 y el AC-5 de
producción, este último exclusivamente en la refinería de Salamanca Guanajuato.
Este articulo técnico está orientado hacia la producción de asfaltos intermedios a partir del
AC-5 y hacia el análisis de la oferta y los diferentes usos del asfalto AC-5 en contra parte con
los asfaltos fraguados y emulsiones asfálticas para aplicación principalmente en riego de
impregnación y su comparación en propiedades de esfuerzo – deformación con el asfalto
AC-20. Se concluye que en el asfalto AC-5, no se presentan problemas de desintegración
por contracción a bajas temperaturas, fatiga por cargas dinámicas y deformaciones
permanentes (rutting) siempre y cuando el material ligante se use en la carretera entre 52/-28
(C de temperaturas de pavimentos ya presenta un modulo dinámico de 3.83 Kpa a la
temperatura superior mencionada. Además las propiedades viscoelásticas no tienen tanto
influencia cuando el asfalto se emplea como riego de impregnación. Por otra parte este tipo
de asfalto es preferible tanto en emulsiones asfálticas de riego de impregnación como en el
reciclado de asfaltos, con resultados más favorables que el AC-20.
Introducción
Las principales causas de prohibición del uso de los asfaltos fraguados (cutbacks) en el
ámbito internacional obedecen a razones de contaminación ambiental, seguridad y aspectos
económicos, en Texas las restricciones de emisiones de compuestos orgánicos y volátiles
(VOC’S) son muy severas debido a su alta reactividad fotoquímica que en combinación con
la luz solar y los óxidos de nitrógeno forman el fatídico ozono, por esta causa The Texas
Natural Resource Conservation Comission (TARCC) tiene prohibido su oferta. La sustitución
de los cutbacks por emulsiones asfálticas no es del todo satisfactorio, algunas
consideraciones técnicas y de aplicación deben de ser entendidas antes de emplear esa
alternativa debido a que sus propiedades físico/químicas de estos productos son
completamente diferentes y el rendimiento o funcionalidad no son semejantes.
El cutback es un asfalto fluído de tipo newtoniano a condiciones ambientales (25º C y 760
mmHg), con alta acción de difusión en membranas permeables que permiten su transporte
hacia el interior de la subcapas proporcionando anclajes favorables para la propiedad de
adhesión además de una excelente absorbente en las superficies externas con el material
del pétreo. En contra parte, las emulsiones son suspensiones macrocoloidales con partículas
de tamaño promedio de 3-20 micras con nula habilidad de difusión en el material pétreo, a
excepción de trasporte hacia los huecos de tamaño superior al tamaño de la partícula,
presentando mecanismos y velocidad totalmente diferente a los cutbacks. En este articulo se
dividen varias alternativas de empleo de las emulsiones asfálticas y asfalto AC-5, ya sea
como parte de la formulación de la emulsión o como cemento asfáltico para uso en riego de
impregnación principalmente ya que es uno de los principales problemas que con más
frecuencia se ha presentado en la construcción de obras viales nacionales en sustitución del
cutback.
Producción
La producción promedio de asfalto AC-5 en 1998 fue de 15.6 m3 / d (98.5 b/d) siendo los
estados de mayor demanda los de Jalisco, Edo. De México y centro del país (ver grafica nº
1). Se estima que la limitada demanda de este producto está motivada, entre otras cosas por
desconocimiento del potencial de aplicación del AC-5 (tabla nº 1) y por las especificaciones
actuales de construcción de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT) que están
orientadas principalmente hacia el uso del asfalto AC-20.
Debido a los problemas de embargo petrolero en la década de los 70 se intensificaron las
investigaciones de optimización del ahorro de energía en los procesos productivos, dando
lugar al auge de las emulsiones asfálticas, el cual propició que la principal materia prima para
la formulación de emulsiones asfálticas fueran los denominados fluxes3 de baja viscosidad,
como el AC-2.5 y AC-5.
Sustitución de FR-3 por AC-5 en riego de impregnación.
El AI (Asphalt Institute) define el asfalto de riego de impregnación (Asphalt Prime Coat) como
aquel producto que tiene la propiedad de penetrar en una superficie no bituminosa sin tratar y
que sirve como base para otras capas superiores de concreto asfáltico
PRODUCCIÓN DE ASFALTO AC-5 EN LA REFINERÍA DE SALAMANCA,
GUANAJUATO.
Grafico No. 1
ASFALTO AC-5
Producción, m3/d
40
1998
30
1999
20
10
0
ENE
MAR
MAY
JUL
MESES
SEP
NOV
USO DE LOS CEMENTOS ASFÁLTICOS Y ESPECIALIDADES ASFÁLTICAS
Tabla No. 1
TIPO DE CONSTRUCCIÓN
ASFALTOS Ó ESPECIALIDADES ASFÁLTICAS
AC-5
FR-3 (MC-800)
CRS-1
CRS-2
CMS-2
CMS-2H
CSS-1
CSS-1H
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Tecnología hot mix
Autopistas
X
Aeropuertos
X
Estacionamiento
Tecnología de cold mix
Agregados de gradación abierta
X
Agregados bien gradado
X
X
X
Reciclado
Hot – mix
X
Cold – mix
X
X
Tratamientos superficiales
Tratamiento simple
X
Tratamiento múltiple
X
Sellos
Impregnación
Rellenos (filler)
X
DIFERENCIAS DE CARACTERÍSTICAS DE LOS ASFALTOS FR-3, AC-5 Y
AC-2.5
Tabla No. 2
PROPIEDAD
Viscosidad a 60 ºC, P
Viscosidad a 135 ºC, cSt
Penetración 100/5/25, 1/10mm
Temperatura de inflamación, ºC
Solubilidad en TCE, % peso
Pruebas al residuo de TFOT
y
Viscosidad a 60 ºC, P
y
Ductilidad, cm.
Destilación % Vol.
225 ºC
260 ºC
316 ºC
Residuo +360 ºC
y
Ductilidad a 25 ºC
y
Solubilidad en TCE, % peso
y
Penetración 100/5/25, 1/10mm
y
Agua por destilación, % Vol.
FR-3 (RC-800)
AC-5
AC-2.5
X
800 / 1600*
X
27 min.
X
X
X
X
400 / 600
175 min.
140 min.
177 min.
99.0
200 / 300
125 min.
220 min.
163 min.
99.0
2500
100
X
X
X
X
X
X
X
X
X
1250
100
X
X
X
X
X
X
X
X
X
15 min.
45 min.
75 min.
75 min.
100 min.
99.0 min.
80 / 120
0.2 máx.
En la tabla no. 2 se observa que la principal diferencia entre el FE-3 y el AC-5 es la
viscosidad cinemática, mientras que en le FR-3 se maneja la temperatura de 60 ºC en el AC5 se emplea 135 ºC. Existen varias técnicas para la reducción de la viscosidad del asfalto
AC-5 a valores semejantes al FR-3.
a) Diluyéndolo con solventes, el cual llevaría al problema de origen
b) Incrementando la temperatura de trabajabilidad del AC-5 hasta un nivel tal que las
viscosidades fueran semejantes sin rebasar los límites de seguridad de personal, equipo
y de deterioro del cemento asfáltico.
Para obtener una equivalencia de viscosidad (ver gráfico 2), la temperatura de manejo del
AC-5 tendría que ser entre 90-110ºC y en el AC-2.5 de 70-80ºC, temperaturas que se
consideran aceptables por el AI (Asphalt Institute)2 bajo estas condiciones de temperatura el
AC-5 se comportaría semejante al FR-3 para uso como riego de impregnación, teniendo la
seguridad que la propiedad de adhesión sería incrementada con respecto a una emulsión por
las razones técnicas antes mencionadas, en este tipo de aplicación no se requiere de
propiedades excepcionales viscoelásticas ya que el perfil o gradiente esfuerzo y deformación
dinámicas de esta capa asfáltica sería prácticamente nula, por lo que el AC-5 de la refinería
de Salamanca, Guanajuato se considera aceptable en el valor de PG 54-28 (ver tabla 3).
Emulsiones para riego de impregnación
El fenómeno de transporte de materia de los cutbacks sobre el material pétreo compactado
también se rige por la ley de Fick que establece:
VISCOSIDADES
Grafico Nº. 2 (ASTM-341)
J = - D* ∇Ca
Donde (D) es el parámetro difusional, que depende exclusivamente de la naturaleza química
del asfalto y del material pétreo, ∇Ca es el gradiente de concentración del asfalto y (J) la
velocidad del transporte, en su conjunto esta velocidad de transparencia está gobernado por
los siguientes factores:
1.
Características físico / químicas del cemento asfáltico
•
•
•
•
2.
Naturaleza química (polaridad)
Viscosidad
Peso molecular promedio
Tensión superficial
Características del material pétreo
•
•
•
•
Naturaleza química
Tamaño de la partícula
Área superficial
Porosidad
PROPIEDADES SUPERPAVE DEL ASFALTO AC-5 DE LA REFINERÍA DE
SALAMANCA, GUANAJUATO
Tabla No. 3
ASFALTO VIRGEN
Temperatura de prueba a 10 rad/s, ºC
CORTE DINÁMICO
G*/SenΘ, KPa
RESIDUO RTFOT
Temperatura de prueba a 10 rad/s, ºC
CORTE DINÁMICO
G*/SenΘ, KPa
RESIDUO PAV
Temperatura de envejecimiento, ºC
CORTE DINÁMICO
(G*)*SenΘ, KPa
Temperatura de prueba a 10 rad/s, ºC
PROPIEDAD
52
1.9
52
3.83
90
673
16
Rigidez a la flexión
Velocidad de deformación (m)
Carga, MPa
Temperatura de prueba a 10 rad/s, ºC
0.340
168
-18
GRADO PG
52-28
3.
Condiciones de operación
•
•
•
•
•
Temperatura de trabajo
Concentración del asfalto
Compactación (caída de presión)
Método de aplicación (aspersores)
Condiciones ambientales
Se tiene gran experiencia en el manejo de estos factores en riegos de impregnación al utilizar
los cutbacks, (se conoce que al reducir la viscosidad, peso molecular, tensión superficial y
compactación, la velocidad de transporte se incrementa) no así en el empleo de emulsiones
asfálticas que proporcionen el mismo rendimiento que los cutbacks. Las principales variables
de las emulsiones asfálticas para empleo como riego de impresión 4:
Emulsiones
•
•
•
•
•
Características de la fase dispersa
Tamaño de partícula
Tipo de emulsión
Tensión interfacial
Concentración de la fase dispersa
Tomando en cuenta que el transporte de las emulsiones en el material pétreo es limitado a
huecos de magnitud superior al tamaño de la partícula, su funcionalidad se incrementaría
significativamente por el empleo de emulsiones neutras que reducirían la tención interfacial
del sistema asfalto/pétreo motivadas por polaridad inducida debido a la naturaleza química
del material pétreo y de la emulsión, en pocas palabras se evitaría al máximo el fenómeno de
quimiadsorción, incrementando el transporte hacia el interior de la base a impregnar, por lo
anterior varios autores sugieren las siguientes acciones técnicas:
•
•
•
•
•
•
Empleo de asfalto de baja viscosidad como el AC-5 en sustitución del AC-20 (reducen
el costo de energía de proceso para menores tamaños de partícula y mayor
trabajabilidad)
Empleo de emulsiones neutras y diluidas, para que el agua actúe como medio de
transporte del asfalto
Uso de aditivos depresores de la tensión interfacial
Pretratamiento superficial cuando menos con agua antes de la aplicación de la
emulsión.
Se recomienda que cuando la capa de concreto asfáltico sea superior a 100 mm, no
aplicar riego de impregnación5
Mezclado mecánico con emulsiones típicas antes de su compactación5
Reciclado de asfaltos
Recientemente, el alto costo de asfalto aditivado, la escasez de material pétreo, alto costo de
combustible y el creciente problema de contaminación ambiental ha hecho del reciclado de
pavimentos envejecidos un proceso de gran atracción socialmente y económicamente, una
tecnología para este proceso es el reciclado en frío, en donde el concreto asfáltico es
removido de la cinta asfáltica, triturado y remezclado con cemento asfáltico nuevo y agentes
rejuvenecedores y en ocasiones con material pétreo virgen para obtener el producto
deseado, que en muchas ocasiones se utiliza como una base estabilizada, en numerosa
bibliografía recomiendan el uso de asfaltos no viscosos como el AC-2.5 y AC-56 en
sustitución de AC-20 y AC-30, debido principalmente a que los asfaltos suaves tienen mayor
proporción de aceites y resinas que los asfaltos antes mencionados (ver tabla No 2)
requeridos para rejuvenecer el asfalto viejo y evitar altos consumos de aditivos que podrían
encarecer el proceso de reciclado.
ANÁLISIS CORBERT
Tabla Nº 4
COMPUESTOS
AC-20
AC-5
Insolubles en nC7, % peso
17.66
14.38
Saturados, % peso
17.25
12.52
Naftenos Aromáticos, % peso
33.88
39.79
Aromáticos Polares, % peso
31.21
35.81
Conclusiones
a) Las emulsiones asfálticas son la mejor alternativa para la sustitución de los cutbacks en
aplicaciones superficiales.
b) Mundialmente son preferidos los cementos asfálticos de baja viscosidad (AC-5, AC-2.5)
para riegos de impregnación ya sea en formulación de emulsiones asfálticas o como
ligante.
c) Los protagonistas para incrementar la oferta y la demanda de productos asfálticos tipo
flux para aplicaciones especiales donde la viscoelasticidad de los asfaltos no fluya en su
comportamiento, es incumbencia de todos los protagonistas (SCT, Pemex – Refinación y
empresas privadas) del cambio para la mayor durabilidad de las carpetas asfálticas
nacionales.
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