El asfalto se puede definir como una mezcla de hidrocarburos y otros componentes cuyo estado físico es dependiente de la temperatura, presentándose aparentemente sólido a temperatura ambiente y como un fluido viscoso a mayores temperaturas. Se presenta con un color característico pardo oscuro y puede aparecer naturalmente o producirse a partir de la refinación de ciertos petróleos crudos (1).

Dentro de sus principales características se destaca que es un material no volátil a temperatura ambiente y presión atmosférica, es un excelente impermeabilizante y adhesivo, y presenta una estructura química relativamente estable. Todos estos factores, sumados a su bajo costo, lo han posicionado como el material por excelencia para la construcción de carreteras (2).

1 Historia del asfalto

El asfalto, o betún, es bien conocido y utilizado desde la antigüedad. Los extensos depósitos de petróleo crudo en el Medio Oriente han estado filtrándose en la superficie en forma de betún “natural” durante miles de años. Los antiguos habitantes de estas partes apreciaron rápidamente las excelentes propiedades impermeabilizantes, adhesivas y conservantes del material y rápidamente lo pusieron a su disposición (2).

El primer uso registrado fue por los sumerios cuyo imperio existió desde alrededor del 3500 a.C. hasta aproximadamente el 2000 a.C., y solían usarlo en la construcción de barcos (2). Posteriormente, los babilonios lo usaron como un aglutinante en la construcción de castillos, como la Torre de Babel. El asfalto también fue utilizado por los egipcios tanto para momificar los cadáveres como para impermeabilizar reservorios de agua (3).

La palabra griega asphaltos se usó durante los tiempos homéricos con el significado de sustancia estable o sólida. Posteriormente, fue adoptada por los romanos que usaron el material para impermeabilizar sus baños, reservorios y acueductos (3).

Los primeros usos del asfalto como material de construcción de carreteras se remontan alrededor del 615 a.C. en Babilonia, en el reinado del rey Nabopolassar. Se cree que este personaje fue un hábil exponente del uso de betún porque existe evidencia de que usó el producto para impermeabilizar la mampostería de su palacio y como lechada para caminos de piedra. Este registro está inscripto en un ladrillo, donde se detalla que la pavimentación de la calle que unía el palacio hasta el Muro norte de la ciudad, se había realizado ‘con asfalto y ladrillo quemado’ (4).

2 Obtención y producción

El asfalto natural se extrae del suelo y puede estar asociado a otra materia mineral (arena, arcilla, rocas). La forma más común de encontrar asfaltos naturales es en depósitos superficiales o lagos, principalmente en Venezuela (lago Bermúdez) y en Trinidad y Tobago (lago La Brea o Trinidad) (1).

El asfalto puede encontrarse naturalmente también en forma de asfaltita o gilsonita (su nombre correcto es uintaíta) en yacimientos que se encuentran principalmente en Estados Unidos, Cuba y en Argentina. Adicionalmente, el asfalto puede encontrarse en forma natural, impregnado en concentraciones de hasta 12%, dentro de rocas calizas o areniscas que se extraen de minas o canteras dependiendo del depósito (1).

Por otro lado, el asfalto se obtiene artificialmente de la destilación del petróleo. Existen principalmente cuatro zonas de extracción de crudo en el mundo: Norteamérica, Caribe, Rusia y Medio Oriente. De acuerdo a estas zonas, las características físicas y químicas del crudo varían considerablemente. De los 1500 tipos de crudos producidos en el mundo, solo unos pocos son adecuados para la producción de asfaltos.

En las refinerías, el crudo es calentado a 350 °C e ingresa a torres de destilación. La destilación es un proceso físico de separación, basado en la diferencia de puntos de ebullición entre componentes en una misma mezcla líquida. Como los puntos de ebullición de los hidrocarburos aumentan con sus masas moleculares, se hace posible la vaporización primero de compuestos volátiles y luego la destilación fraccionada del resto de los componentes (5). Las fracciones más livianas (propano, butano, nafta, kerosene, gasoil) son extraídas y el residuo, llamado también “fondo de torre”, pasa a una torre de destilación por vacío que separa el asfalto de los otros destilados aún presentes en el crudo (6).

3 Asfalto convencional

Es obtenido directamente de la torre de destilación por vacío y de acuerdo a este proceso, se obtienen diversos grados de cementos que responden con diferente comportamiento. A temperatura ambiente son semisólidos y necesitan ser calentados para adquirir la consistencia adecuada para ser manejados. Su utilización principal es en mezcla asfáltica (2).

3.1 Composición y estructura

La composición química del asfalto varía de acuerdo al crudo y a su proceso de refinación. No obstante, a grandes rasgos, el contenido puede separarse en dos grupos llamados asfaltenos y maltenos, que a su vez se subdividen en saturados, aromáticos y resinas. Estos cuatro grupos no están estrictamente definidos y existe cierto solape entre ellos. La estructura del asfalto se considera como un sistema coloidal conformado por micelas de asfaltenos de alto peso molecular dispersos o disueltos en un medio oleoso (maltenos) de bajo peso molecular (2).

3.2 Comportamiento viscoelástico

Los materiales viscoelásticos son aquellos que exhiben comportamiento elástico y viscoso simultáneamente (7). Varios factores afectan el comportamiento de los materiales viscoelásticos, siendo la temperatura su parámetro más crítico. La respuesta mecánica del asfalto varía de la de un sólido elástico a la de un fluido newtoniano en el rango de temperatura de −20 a 150 °C. En el rango de temperatura de trabajo del pavimento, conocer la naturaleza exacta de la respuesta es esencial, pues tiene una influencia significativa en la magnitud del daño por deformación permanente y fatiga (8).

El otro parámetro que tiene un marcado efecto sobre los materiales viscoelásticos es el tiempo de carga o velocidad de carga (frecuencia). El asfalto se comporta como un sólido elástico a altas velocidades de carga, exhibiendo alta rigidez y eventualmente fragilidad; mientras que se comporta como un líquido viscoso en tiempos de carga prolongados, presentando alta ductilidad y baja rigidez (9).

La Figura 7 exhibe la respuesta de una muestra de asfalto en el ensayo de fluencia o creep. La tensión resultante de la carga aplicada muestra una respuesta elástica instantánea seguida de un aumento gradual de la tensión con el tiempo hasta que se elimina la carga. El cambio en la tensión con el tiempo es causado por el comportamiento viscoso del material. Al retirar la carga, la tensión elástica se recupera instantáneamente y se produce una recuperación adicional con el tiempo, conocido como “elasticidad retardada”. En última instancia, permanece una deformación residual permanente, que es irrecuperable y está causada directamente por el comportamiento viscoso (2).

Figura 1. Respuesta del asfalto en el ensayo de fluencia. Adaptado de The Shell Bitumen Handbook (2)

El módulo de rigidez del asfalto, por analogía con el módulo (E) de los sólidos elásticos, es la relación entre la tensión (σ) y la deformación (ε). Sin embargo, el módulo de rigidez de un material viscoelástico depende del tiempo de carga (t) y la temperatura (T) (3). Por lo tanto, el módulo de rigidez del asfalto puede determinarse mediante la ecuación 1:

( 1 )

Donde:

es el módulo de rigidez del asfalto a una temperatura y con un tiempo de aplicación (frecuencia) de carga dado, en Pascales (Pa).

σ es la tensión o carga aplicada, en Pa.

es la deformación relativa a las dimensiones originales debido a la aplicación de la carga, para una temperatura y tiempo (frecuencia) dado. Se suele medir en porcentaje (%).

Es difícil demarcar experimentalmente un sólido viscoelástico de un fluido viscoelástico a una temperatura definida, ya que la naturaleza precisa de la respuesta depende de la velocidad de carga (8). Para tiempos de aplicación de carga muy cortos, el módulo de rigidez es prácticamente constante y asintótico hacia 3×10⁹ Pa, independientemente de la temperatura. En estos casos el asfalto se comporta como un sólido elástico. Por el contrario, cuando el tiempo de aplicación de carga es elevado o la temperatura aumenta, el módulo de rigidez disminuye considerablemente, reflejando el comportamiento viscoso del asfalto. A las temperaturas usuales de servicio en el pavimento y bajo las cargas usuales del tránsito, el comportamiento se puede generalizar como viscoelástico (2).

El hecho de que un material exhiba un comportamiento de fluido viscoelástico a una temperatura y frecuencia dadas, y simultáneamente esa misma muestra pueda exhibir un comportamiento de sólido viscoelástico a la misma temperatura y a una frecuencia mucho mayor se le conoce como principio de superposición tiempo-temperatura y es una propiedad fundamental de los materiales viscoelásticos. Esta regla es muy útil pues permite estudiar la naturaleza del asfalto en frecuencias que no pueden ser alcanzables experimentalmente y se profundizará en ella más adelante.

3.3 Viscosidad

La viscosidad es una propiedad característica fundamental del asfalto, ya que determina la forma en que se comportará en una temperatura específica o en un rango de temperaturas. La viscosidad se define como una medida de la resistencia al flujo (tensiones cortantes o de tracción) debido a fricciones internas entre las moléculas (10). En el asfalto la viscosidad es afectada de manera inversa a la temperatura; a mayor temperatura menor viscosidad.

En la forma fundamental de medir la viscosidad, el espacio entre dos planos móviles entre sí (rectos como en placas paralelas o curvos como en cilindros concéntricos) se llena con asfalto. La fuerza que se opone al movimiento de uno de los planos debido al esfuerzo de cizalla que aplica se desarrolla únicamente debido a la presencia del material. Esta fuerza es proporcional a la superficie y la velocidad relativa del movimiento de un plano a otro e inversamente proporcional a la distancia entre las placas. La constante que relaciona las variables es la viscosidad, como se muestra en la ecuación 2.

( 2 )

Donde:

F_visc es la fuerza viscosa que se opone al esfuerzo tangencial, en Newtons (N).

A es la superficie entre ambos planos que contiene al fluido, en metros cuadrados (m²).

es la tasa de cambio de la velocidad relativa entre planos con respecto a la distancia entre los mismos, en s^-1. Como en la mayoría de los ensayos estas dos variables se mantienen fijas, es decir, a velocidad y distancia constantes, la operación resulta ser el cociente de ambas magnitudes.

µ es la viscosidad dinámica del fluido, medida usualmente en Pascal segundo, Pa.s.[1]

Si además se tiene que:

( 3 )

Donde:

τ es el esfuerzo cortante, en Pa.

De las ecuaciones 2 y 3 se obtiene que:

( 4 )

Bibliografía

1. Kirk, Raymond y Othmer, Ronald. Enciclopedia de tecnología química. s.l. : Unión tipográfica editorial hispano-americana, 1961. Vol. II.
2. Read, John y Whiteoak, David. The Shell Bitumen Handbook. Londres : Thomas Telford, 2003.
3. Nikolaides, Athanassios. Highway Engineering: Pavements, Materials and Control of Quality. EUA : Taylor & Francis Group, 2015.
4. Gillespie, Hugh. The History of Hot Mix Asphalt: A Century of Progress. EUA : National Asphalt Pavement Association, 1992.
5. Asphalt Institute. M-25 Asphalt Binder Testing Manual. EUA : s.n., 2014.
6. Mothé, Michelle Gonçalves. Estudo do Comportamento de Ligantes Asfálticos por Reologia e Análise Térmica. Rio de Janeiro : s.n., 2009.
7. Mezger, Thomas. The Rheology Handbook: For users of rotational and oscillatory rheometers. Hannover : Vincentz Network, 2006.
8. Nivitha, M. R., Krishnan, J. Murali y Rajagopal, K. R. Viscoelastic transitions exhibited by modified and unmodified bitumen. s.l. : INTERNATIONAL JOURNAL OF PAVEMENT ENGINEERING, 2018, International Journal of Pavement Engineering.
9. Rahimzadeh, Behzad. Linear and non-linear viscoelastic behaviour of binders and asphalts. Nottingham : University of Nottingham, 2002.
10. Mezger, Thomas G. Applied Rheology. Graz : Anton Paar GmbH, 2017.
11. Jorshari, Kamran Rezvani. Non-Linear Viscoelastic Behavior of Polymer Modified Asphalt . Calgary : University of Calgary, 2000.
12. Bahia, H. U. y and Anderson, D. A. The Development of the Bending Beam Rheometer; Basic and Critical Evaluation of the Rheometer. Philadelphia : Physical Properties of Asphalt Cement Binders: ASTM STP 1241, 1995.
13. Anton Paar. [En línea] [Citado el: 21 de Junio de 2019.] https://www.anton-paar.com/us-en/products/group/rheometer/.