REOLOGÍA DEL ASFALTO

REOLOGÍA DEL ASFALTO

La reología es la ciencia que estudia la respuesta interna de los materiales cuando se deforman producto de un esfuerzo aplicado. Para aprender acerca de las propiedades reológicas de cualquier material se debe medir la deformación resultante de un esfuerzo aplicado o la fuerza requerida para producir una deformación determinada (1).

1 Reómetro de corte dinámico (DSR)

Los reómetros de corte dinámico se utilizan para estudiar el comportamiento reológico de diversos materiales, entre ellos el asfalto. Los dos métodos más comunes que utiliza el equipo para determinar las propiedades viscoelásticas de los asfaltos son los métodos transitorios (esfuerzo/deformación a tasa constante) y los dinámicos (oscilatorios) (2). La configuración típica de estos equipos consta de una placa inferior fija y una placa superior móvil, entre las cuales se coloca una muestra de asfalto a la cual se aplica un esfuerzo de corte.

Los ensayos dinámicos u oscilatorios cubren un amplio rango de esfuerzos en tiempos relativamente cortos, ofreciendo resultados muy valiosos (3). El funcionamiento del equipo puede ser por tensión controlada o por deformación controlada. En una disposición de tensión controlada, se aplica un par fijo a la placa superior para generar el movimiento oscilatorio. Debido a que el nivel de tensión aplicado es fijo, la distancia que la placa se mueve en su trayectoria oscilatoria puede variar entre los ciclos. Cuando se define el ensayo por deformación controlada, la placa superior se mueve con precisión entre las extremidades de amplitud a la frecuencia especificada y se mide el par necesario para mantener la oscilación. Dado que el DSR solo toma tres medidas; torque, rotación angular y tiempo, todos los resultados se calculan a partir de estas variables. Las siguientes ecuaciones son utilizadas para calcular la deformación () y tensión () en el equipo:

( 1 )

Donde:

g es la deformación de la muestra, adimensional o expresado en %.

q es la rotación angular, en radianes (rad).

R es el radio del plato, en milímetros (mm).

h es el espacio entre los platos, en mm.

 

( 2 )

Donde:

t es la tensión al corte, en Pa.

T es el torque registrado, en Newton metro (Nm).

 

De estas definiciones se desprende el módulo de corte complejo absoluto, cuya expresión es la siguiente:

( 3 )

 

Donde:

G*(ω) es el módulo de corte complejo, expresado en Pa.

ω es la frecuencia angular, en radianes por segundo (rad/s).

Nota: en este trabajo se referirá a la velocidad angular como frecuencia angular o simplemente frecuencia, por lo tanto la variable frecuencia podrá presentar unidades de rad/s o Hertz (Hz). Ambas se relacionan como .

 

El módulo de corte complejo es una medida de la resistencia total a la deformación de un ligante. Los DSR se pueden usar para caracterizar el comportamiento tanto viscoso como elástico de los asfaltos midiendo simultáneamente el módulo complejo G* y el ángulo de fase.

Para materiales viscoelásticos como el asfalto, el módulo de corte está compuesto por un módulo de pérdida (componente viscoso, G’’) y un módulo de almacenamiento (componente elástico, G’), cuya magnitud relativa determina cómo responde el material a las cargas aplicadas. Las dos componentes están vinculadas al módulo complejo por el ángulo de fase en una suma vectorial como muestra la Figura 1. Por lo tanto, las diferentes componentes se pueden relacionar mediante la ecuación 4:

Figura 1. Esquema vectorial de la relación entre el modulo complejo G* y los de almacenamiento G’ y pérdida G’’.
( 4 )

Donde:

G’(ω) es el módulo de almacenamiento, en Pa.

G’’(ω) es el módulo de pérdida, en Pa.

CITEVI cuenta con un DSR SmartPave 102 de Anton Para que se muestra en la Figura 2. Debido a la alta rigidez de los cementos asfálticos a temperatura ambiente, se requieren altas tensiones de corte para alcanzar un cierto nivel de deformación, que puede estar limitado por el torque mínimo registrable por el equipo (2). Para sobreponerse a esto, se utiliza la geometría de 8 mm de diámetro para realizar los ensayos a temperaturas inferiores a 35 °C y la geometría de 25 mm de diámetro para los ensayos donde la temperatura es igual o superior a 35 °C. Para mantener la temperatura especificada para cada ensayo, el equipo cuenta con un dispositivo de control de temperatura Peltier y un circulador de agua para refrigerar las piezas. Además, se emplea un compresor de aire para ayudar al giro de la geometría sin fricción en lo que se denomina un rodamiento de aire, lo cual permite grandes niveles de precisión. La operación del reómetro y la unidad de control de temperatura, junto con la adquisición de datos y el análisis, son controladas por una computadora.

Figura 2. Reómetro de corte dinámico SmartPave 102. Tomado de la página web de Anton Paar (4)

2 Región viscoelástica lineal

La relación entre la tensión y deformación en el asfalto puede aproximarse como lineal a pequeñas deformaciones. Dentro de esta región, la relación entre la tensión y la deformación está influenciada solo por la temperatura y el tiempo de carga (frecuencia) y no por la magnitud de la tensión o la deformación. Al aumentar la amplitud de los esfuerzos, la relación deja de ser lineal y se provoca una disminución en el módulo de rigidez (2).

Existen tres razones importantes por la que se debe definir la región viscoelástica lineal del asfalto. Primeramente, es aconsejable limitar la caracterización del asfalto a su respuesta viscoelástica lineal para simplificar el modelado matemático del material, ya que la respuesta no lineal, particularmente para materiales viscoelásticos, es extremadamente difícil de caracterizar y modelar en el laboratorio. En segundo lugar, las mediciones reológicas y los métodos de análisis se definen bajo la región viscoelástica lineal. Finalmente, en el ámbito del diseño de pavimentos, es necesario estudiar el asfalto y la mezcla asfáltica en el mismo dominio para poder definir los límites de aplicabilidad de la teoría viscoelástica lineal (2).

ASFALTO

ASFALTO

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:

Fvisc 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/.

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